Водород во вселенной
ВОДОРОД ВО ВСЕЛЕННОЙ
Обычно, чтобы подчеркнуть значение того или иного элемента, говорят если бы его не было, то случилось бы то-то и то-то. Но, как правило, это не более чем риторический прием. А вот водорода может когда-нибудь действительно не стать, потому что он непрерывно сгорает в недрах звезд, превращаясь в инертный гелии. И когда запасы водорода иссякнут, жизнь во Вселенной станет невозможной — и потому, что погаснут солнца, и потому, что не станет воды…
Водород и Вселенная
Когда-то люди обожествляли Солнце. Но теперь оно стало объектом точных исследований, и мы редко задумываемся о том, что само наше существование целиком и полностью зависит от происходящих на нем процессов.
Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн. т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия; реакция идет в несколько стадий, а ее суммарный результат записывается вот таким уравнением
4¹H⁺ → ⁴He²⁺ + 2e⁺ + 26,7 Мэв
Много это или мало — 26,7 Мэв на один элементарный акт? Очень много: при «сгорании» 1 г протонов выделяется в 20 млн. раз больше энергии, чем при сгорании 1 г каменного угля. На Земле такую реакцию еще никто не наблюдал: она идет при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком.
Мощность, эквивалентную ежесекундной убыли массы в 4 млн. т, невозможно представить: даже при мощнейшем термоядерном взрыве в энергию превращается всего около 1 кг вещества. Но если отнести всю излучаемую Солнцем энергию к его полной массе, то выяснится невероятное удельная мощность Солнца окажется ничтожно малой-много меньше, чем мощность такого «тепловыделяющего устройства», как сам человек. И расчеты показывают, что Солнце будет светить, не ослабевая, еще по меньшей мере 30 млрд. лет.
Наше Солнце по меньшей мере наполовину состоит из водорода. Всего на Солнце обнаружено 69 химических элементов, но водород — преобладает. Его в 5,1 раза больше, чем гелия, и в 10 тыс. раз (не по весу, а по числу атомов) больше, чем всех металлов, вместе взятых. Этот водород расходуется не только на производство энергии. В ходе термоядерных процессов из него образуются новые химические элементы, а ускоренные протоны выбрасываются в околосолнечное пространство.
Последнее явление, получившее название «солнечного ветра», было открыто сравнительно недавно во время исследования космического пространства с помощью искусственных спутников. Оказалось, что особенно сильные порывы этого «ветра» возникают во время хромосферных вспышек. Достигнув Земли, поток протонов, захваченный ее магнитным полем, вызывает полярные сияния и нарушает радиосвязь, а для космонавтов «солнечный ветер» представляет серьезную опасность. Но только ли этим ограничивается воздействие на Землю потока ядер солнечного водорода? По-видимому, нет. Во-первых, виток протонов рождает вторичное космическое излучение, достигающее поверхности Земли; во-вторых, магнитные бури могут влиять на процессы жизнедеятельности; в-третьих, захваченные магнитным полем Земли ядра водорода не могут не сказываться на ее массообмене с космосом.
Судите сами: сейчас в земной коре из каждых 100 атомов 17 —это атомы водорода. Но свободного водорода на Земле практически не существует: он входит в состав годы минералов, угля, нефти, живых существ… Только вулканические газы иногда содержат немного водорода, который в результате диффузии рассеивается в атмосфере. А так как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы очень велика — она близка ко второй космической скорости,— то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.
Но если Земля теряет водород, то почему она не может его получать от того же Солнца? Раз «солнечный ветер» — это ядра водорода, которые захватываются магнитным полем Земли, то почему бы им на ней не остаться? Ведь в атмосфере Земли есть кислород; реагируя с залетевшими ядрами водорода, он свяжет их, и космический водород рано или поздно выпадет на поверхность планеты в виде обыкновенного дождя. Более того, расчет показывает, что масса водорода, содержащегося в воде всех земных океанов, морей, озер и рек, точно равна массе протонов, занесенных «солнечным ветром» за всю историю Земли. Что это — простое совпадение?
…Мы должны сознавать, что наше Солнце, наше водородное Солнце,— это лишь заурядная звезда во Вселенной, что существует неисчислимое множество подобных звезд, удаленных от Земли на сотни, тысячи и миллионы световых лет. И кто знает — может быть именно в диапазоне радиоизлучения межзвездного водорода (запомните— 21 сантиметр!) человечеству впервые удастся связаться с иноземными цивилизациями… Как говорится, поживем — увидим.
Вы читаете, статья на тему Водород во вселенной
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Как Вселенная сотворила материю, создавшую человека
На ранней стадии развития вселенной в ней существовал только водород — самый простой из всех химических элементов. Но его было отнюдь не достаточно для создания таких сложных объектов, как планеты и человек. Со временем материя охладилась настолько, что из протона и отрицательно заряженного электрона образовался атом водорода; к тому моменту, на водород приходилось около 92% всех атомов вселенной, причем, остальные восемь процентов практически полностью приходились на образовавшийся в результате синтеза гелий, очень небольшое количество лития и некоторые другие из самых легких химических элементов. Однако для образования прочих элементов температура на ранней этапе образования вселенной в тот момент была недостаточной, и в космосе наступила темная эра, длившаяся 380 миллионов лет.
Затем во вселенной, по мере ее расширения и охлаждения, стали хозяйничать силы гравитации. В эту эпоху формируются галактики, а вслед за ними — первые звезды. Поначалу они излучали свет благодаря гравитационному сжатию: как только звезда сжималась под давлением собственной массы, водород сильно уплотнялся, а звезда сильно разогревалась. Благодаря гравитации звезды могли излучать свет в течение нескольких миллионов лет, поскольку температура внутри звезды была вполне достаточна для того, чтобы запустить механизм термоядерного синтеза.
Термоядерный синтез в звездах — это поистине величественное явление природы, в ходе которого происходит соединение двух ядер. Однако, не все так просто: в большинстве звезд ядра водорода все равно не могут достаточно близко подлететь друг к другу и, тем самым, запустить термоядерную реакцию, ведь чем ближе ядра водорода друг к другу подлетают, тем сильнее отталкиваются, поскольку оба заряжены положительно. Но, поскольку пара ядер — это квантовые объекты, то для слияния им вовсе не нужно подлетать на очень близкое расстояние, поскольку здесь начинает действовать так называемый туннельный эффект: представьте, сначала оба ядра очень близко подлетают друг к другу, а в следующий момент они уже оказываются соединенными. Эта похоже на то, как если бы оба ядра подлетели к стене, а в следующий момент каким-то чудесным образом оказались по другую сторону.
Но даже квантового волшебства отнюдь не достаточно для того, чтобы звезда продолжала гореть. Для этого необходим не только ядерный синтез, но и продуцирование чего-то стабильного. В результате синтеза двух протонов образуется гелий-II (содержит два протона без нейтронов); он крайне нестабилен и сразу же распадается на два протона. Вместе с тем существует вероятность (1/10000) того, что один из протонов превратится в нейтрон, в результате чего получится стабильный изотоп водорода — дейтерий. В свою очередь, при синтезе водорода и дейтерия образуется устойчивый изотоп гелия, при этом высвобождается гигантское количество энергии — именно так раскрывается гигантский творческий потенциал звезд.
Контекст
Уникальна ли жизнь на Земле?
В нашей галактике много планет, подобных Земле
Мы и музыка
В небольших звездах водород был единственным элементом, который принимал участие в термоядерном синтезе; при уменьшении его запасов звезда угасала. Но после того, как самые большие из первых звезд полностью сжигали весь свой водород с образованием гелия, горение в них продолжало идти по другим законам: как только звезда прекращала сжигать водород, давление внутри нее падало, но гравитация вновь начинала ее сжимать, вследствие чего температура внутри звезды возрастала. И как только она достигала ста миллионов градусов по Кельвину, гелий начинал превращаться в бериллий (ядро бериллия состоит из четырех протонов); в результате взаимодействия гелия и бериллия получался углерод (в его ядре семь протонов) — а это уже основной элемент для жизни на Земле. Синтез углерода происходил в раскаленных недрах звезды; правда, ему еще предстояло пройти очень и очень долгий путь, прежде, чем стать частью человеческого организма. Из углерода в результате синтеза появился азот и кислород (в их ядрах соответственно семь и восемь протонов) — а это еще два элемента необходимых для появления жизни; из этих двух элементов в результате цепи превращений можно получить железо (26 протонов).
Однако трансформация железа в более тяжелые элементы не сопровождается выделением энергии, как это было при термоядерном синтезе более легких элементов — наоборот, при образовании железа происходит поглощение энергии. Если бы более легкие элементы при термоядерном синтезе всегда превращались в более тяжелые, то тогда бы реакция синтеза в недрах звезды проходила в течение неопределенно долгого времени, покуда светило не превратилось бы в нейтронную звезду — огромный однородный шар, состоящий из ядерного материала. Но поскольку при термоядерном синтезе железа ядро звезды охлаждалось, то и сама реакция синтеза затухала. После ее прекращения, первые массивные звезды, вспыхнувшие после Большого взрыва, начинали сжиматься под действием гравитации, что затем приводило к взрыву сверхновой, который сопровождался мощным выбросом вещества из внешней оболочки звезды, богатой углеродом, азотом и кислородом, в межзвездное пространство с одновременным сжатием звездного ядра, которое затем превращалось в нейтронную звезду.
Долгое время считалось, что разнообразие химических элементов, окружающих нас, полностью обусловлено термоядерным синтезом и взрывами сверхновых. Но теперь-то мы знаем, что образовании этих элементов сыграли свою важную роль также и другие экзотичные процессы. Как показали недавно проведенные исследования, золото и остальные редко встречающиеся тяжелые химические элементы образуются в большом количестве при столкновении двух нейтронных звезд. Вполне вероятно, что как раз в результате одного из таких столкновений образовалось все золото, имеющееся на нашей планете.
Превращение водорода в другие химические элементы происходило благодаря редким по своей природе космическим явлениям и квантовым процессам. Первозданную материю и человека объединяет друг с другом длинная цепь случайностей. Вероятность появления каждого из звеньев этой цепи очень мала; к тому же, большую роль в его возникновении играет и сам характер каждого из физических процессов. Так, если бы уровень сильного ядерного взаимодействия, удерживающего вместе два протона, был на два процента больше, то тогда изотоп гелия — гелий-II — оказался бы стабильным; в этом случае, термоядерная реакция протекала бы еще легче, а первое поколение горячих и плотных звезд вообще бы не появилось. Если бы характер протекания любого из физических процессов изменился, то наша вселенная выглядела бы сегодня по-другому, а человек, вероятнее всего, вообще бы не появился.
Иногда к сказанному выше ученые применяют выражение «тонкая настройка» вселенной, в основе которого лежит идея о том, что существование жизни в первую очередь зависит от таких явлений, как термоядерный синтез, протекающий внутри звезд не произвольным, а строго определенным образом. Именно данный факт заставил некоторых ученых обратить свой взор к теологическому обоснованию происхождения вселенной, правда, другие склонились к противоположной точке зрения. В любом случае ясно одно: вселенная проявила себя вовне — и в результате этого появился человек. Вещество, из которого состоит человек и окружающий его мир, явилось на свет в результате превращений водорода под воздействием гравитации и времени.
Брайан Коберлейн — астрофизик, профессор физики Рочестерского технологического института (RIT). Автор статей в области астрономии и астрофизики, опубликованных в его блоге «One Universe at a Time». Адрес в Twitter: @BrianKoberlein.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник
Откуда взялись все химические элементы, если изначально во Вселенной были только гелий, водород и немного лития?
Всё, что нас окружает — предметы обихода, живая и неживая природа, состоит из атомов. Образуя химические связи, атомы простых веществ могут создавать более сложные вещества, например, два атома водорода и один атом кислорода образуют воду, без которой была бы невозможна жизнь на Земле. На сегодняшний день известно 118 химических элементов, но так было не всегда.
Изначально в природе не было никаких химических элементов. Новорожденная Вселенная представляла собой нечто вроде бульона из глюонов и кварков, которые постепенно объединялись в протоны и нейтроны — будущие атомные ядра всех известных нам веществ.
Затем последовало их слияние, в результате чего в космосе появились первые химические элементы — гелий, водород и ничтожно малое количество лития. К этому времени Вселенная уже остыла настолько, что новые элементы более не могли образовываться.
Но откуда тогда взялось всё остальное?
Чтобы привнести разнообразие в таблицу Менделеева, Вселенной потребовались космические реакторы — звезды. Начиная от звездных карликов в десять раз меньше Солнца и заканчивая сверхгигантами вроде Ригеля, все звезды начинают свой путь одинаково.
Сжигая в своих недрах самый распространенный элемент водород, они превращают его в гелий, выделяя при этом лучистую энергию. Старея, растратившие водородное топливо небольшие звезды становятся красными гигантами, в которых возникают благоприятные условия для горения уже гелия. Из него в процессе синтеза образуется углерод и в относительно малых объемах кислород. На этом роль небольших звезд в образовании химических элементов заканчивается, им просто не хватает массы, чтобы зажечь углерод.
Но что не под силу малым звездам, оказывается по плечу светилам в пять и более раз массивнее Солнца. Они синтезируют из углерода кислород, кальций, кремний и другие элементы вплоть до железа и никеля. Однако на этом этапе у большинства массивных звезд начинаются проблемы. Дело в том, что вовлечение в термоядерный синтез железа происходит не с выделением, а с поглощением энергии. Производимая ядром звезды энергия — это единственное, что удерживает звезду от коллапса. Образование же в ядре железа приводит к потере энергии, в результате чего массивная звезда теряет равновесие и в считанные доли секунды сжимается, а затем взрывается сверхновой, выбрасывая в пространство внешние слои с созданными химическими элементами. Но ведь железо в таблице Менделеева идет только под номером 26.
Откуда тогда взялись медь, серебро, золото, платина и другие элементы, если ничего тяжелее железа при термоядерной реакции образовываться не может?
На этот счет существуют разные мнения. Согласно одному такому мнению, в ходе взрыва сверхновой разлетающиеся с огромной скоростью атомные ядра сталкиваются с нейтронами и как-бы «обрастают» ими. Часть нейтронов превращаются в протоны, атомный номер ядра увеличивается, в результате чего получается новый более тяжелый элемент. Это так называемый R-процесс или быстрый захват нейтронов. Считается, что таким образом могут образовываться элементы вплоть до плутония.
Согласно другой точке зрения, R-процесс запускается при слиянии нейтронных звезд с последующим выбросом в космос энергии и вещества. Чего-чего, а нейтронов в этих звездах хоть отбавляй, вот они и вступают в взаимодействие с атомными ядрами, обогащая их и синтезируя тем самым новые элементы. Но вероятнее всего, что образование тяжелых элементов имеет место в обоих случаях.
Итак, всё что вас окружает — это продукты жизнедеятельности звезд. Воздух, которым вы дышите, вода, которую пьете, золотое кольцо на пальце вашей руки и углерод в составе клеток вашего тела — всё это создано миллиарды лет назад в недрах светил. Согласитесь, как тут не почувствовать причастность к вечности?
Источник