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
Почему во Вселенной так много водорода?
Более 3/4 химического состава вселенной или, по крайней мере, ее видимой части составляет водород. Почему Большой взрыв оказался настолько не оригинальным, что привел к массовому созданию только самого примитивного химического элемента с примесью гелия?
Рождение более тяжелых элементов, чем водород, требует участия нейтронов, и всегда было недостаточное количество.
Человечеству известно 118 химических элементов. Однако это только кажущееся разнообразие; в масштабе всей вселенной только два из них составляют более 99% от общего числа химических элементов, из которых 78% заняты только водородом. Такая химическая конфигурация вселенной может удивить непосвященного человека. Вездесущий углерод, кислород, азот, кремний и целый ряд элементов, занимающих окна периодической таблицы, образуются во время термоядерных реакций во время жизни звезд. Существованию атомов, более тяжелых, чем железо, мир обязан взрывам массивных звезд, которые в момент сжатия генерируют различные химические элементы, а дальше во время вспышки сверхновой выбрасывают все вещество в открытый космос.
Поскольку давление и температура, преобладающие в ядре звезды, приводят к созданию почти всей таблицы Менделеева, почему эти же элементы не могли возникнуть в момент Большого взрыва? Почему бесчисленные массы элементарных частиц образовали почти исключительно водород с добавлением гелия на самой заре развития вселенной?
Химическая структура вселенной.
Вернемся к первому моменту существования вселенной, или, точнее, к двум десятым секунды. Вселенная разогрета до 20-30 миллиардов Кельвинов и заполнена высокоэнергетической пульпой, в которой можно увидеть электроны и первые элементы нуклонов. Таким образом, у нас есть все компоненты, необходимые для создания атома, но они все еще имеют огромные энергии, чтобы соединиться в стабильные атомы. Это означает, что протоны и нейтроны остаются временно свободными, что крайне важно для разгадки этой тайны.
Вы должны знать, что нейтроны, которые являются общим и незаменимым элементом почти каждого атомного ядра (кроме водорода), нестабильны. Не стоит волноваться, потому что эта нестабильность касается только одиноких нейтронов; тем не менее, кроме ядер, нейтроны разрушается статистически через девять минут, обычно с выделением протона, электрона и антинейтрино. Напротив, протоны — настоящие крепыши, а средняя продолжительность их жизни от шести с половиной лет(на основе исследований).
Уже тогда, в первый момент после Большого взрыва, физические характеристики обоих нуклонов определили будущий состав вещества. Хотя в среднем нейтрон исчезает в течение девяти минут, принимая во внимание огромную динамику молодого космоса и преобладающие в нем экстремальных условий, доли секунды было достаточно, чтобы нарушить равновесие. Зная это, известный теоретик Джордж Гамов (Георгий Антонович Гамов) уже много десятилетий назад подсчитал, что до того, как температура упала до 10 миллиардов Кельвинов, отношение нейтронов к протонам составляло 60 к 100, а при температуре в миллион Кельвинов чуть менее 15 нейтронов на 100 протонов.
Только теперь, через три минуты после возникновения вселенной, сильное ядерное взаимодействие способно «собрать» первые ядра атомов, к которым скоро присоединятся электроны. Интересно, что среди них было много ядер дейтерия (1 протон + 1 нейтрон), трития (1 протон + 2 нейтрона) и гелия (2 протона + 1 нейтрон). Эти изотопы хотя и оказались не очень стабильными, они не выдержали испытание временем, уступив простейшим и гораздо более долговечным вариантам водорода и гелия (2 протона + 2 нейтрона). Конечно, из-за огромных различий большинство протонов не смогли найти себе партнера- нейтрона. Конечно, самым распространенным компонентом Вселенной был водород, состоящий только из одного протона и электрона. С тех пор прошло 13,82 миллиарда лет, а пропорции между нуклонами во Вселенной существенно не изменились.
Однако даже понимая популярность водорода во вселенной, вы все равно можете задаться вопросом, почему из доступных нейтронов синтезируется только гелий? Почему в начале существования не возникло кислорода, углерода, магния, кальция и других элементов? Природа работает довольно очевидным образом, пытаясь сформировать самый простой порядок вещей. Между тем, после гелия следующим в очереди является ядро, содержащее пять нуклонов, но оно не стабильно по своей природе. Это заставляет нарушать последовательность элементов таблицы Менделеева и «прыгать» к литию-6 и литию-7, затем к бериллию и бору. Возможно, что первоначальный нуклеосинтез объединил некоторые из этих элементов, но даже вместе они не составляли более одной тысячной части вселенной. Тогда нужно сделать еще один «прыжок», потому что не существует стабильного ядра с восемью нуклонами.
Стоит отметить, что выводы Гамова были сделаны на основе условий, преобладающих в истории развития Вселенной. Химическая структура Вселенной, предложенная Гамовым, подтверждена последующими космическими наблюдениями, что отлично вписывается в теорию большого взрыва.
Источник