От кварков до урана
В начале было слово, и слово было «взрыв». Метафорический, конечно — взрываться, по сути, было нечему, — и тот самый «Большой». Давайте проследим путь химической эволюции Вселенной с первых мгновений Большого взрыва.
То, из чего возникла Вселенная, называют изящным словом «сингулярность», то есть точка с бесконечным значением плотности. Температура в момент «взрыва» аналогично была столь высока, что не могли существовать не то что атомы, но элементарные частицы. Итак, Вселенная расширялась, и имя этому периоду — Космическая инфляция. По его завершении наконец появились первые «обитатели», а именно кварк-глюонная плазма, из компонентов которой состоят нейтроны и протоны.
Но постепенно Вселенная остывала, так что вскоре кварк-глюонная плазма распалась на протоны и нейтроны, а там уже недалеко до ядер (все атомы, естественно, ионизированы) легких изотопов: возникли ионы дейтерия, гелия, лития. Если речь до этого шла о весьма малых промежутках времени, то образование привычного нам водорода, основного компонента Вселенной, потребовало около четырехсот тысяч лет ожидания. Представьте только, до этого температура была столь высока, что атомы (даже не молекулы!) просто не могли существовать. После появился и атомарный гелий — второй элемент по распространенности в космическом пространстве.
Давайте разбираться, как же возникли остальные элементы. Как известно, в звездах происходят термоядерные реакции с участием изотопов водорода:
Именно эта реакция дает нашей планете солнечную энергию, но на образовании гелия процессы в звездах не ограничиваются. Температура и плотность их недр достигают таких величин, что звезды синтезируют элементы до железа включительно, далее процесс энергетически невыгоден (конечно, необходимо делать поправку на вид звезды: так, белые карлики неспособны синтезировать элементы вовсе, а процессы в красных гигантах достигают и никеля, однако он распадается до вышеупомянутого железа). Но «насинтезированное» железо высвобождается только во время взрывов сверхновых, так как в «мирное» время структура ядра звезды не нарушается.
Значит, нужно искать источник более тяжелых металлов, ведь к искусственно синтезированным относятся элементы только после урана. Вернемся к процессу взрыва сверхновой: когда раскаленное вещество готово с огромной скоростью разлететься во все стороны, образуя планетарную туманность (ничего общего с планетами; это вещество умершей звезды, место формирования новых), появляется возможность для синтеза и более тяжелых элементов, то есть немалая их часть возникает во время взрыва сверхновых.
А все же самый значительный источник тяжелых металлов — это нейтронные звезды (пульсары), представляющие собой тела с огромной плотностью, но малыми относительно космических величин размерами. Известный факт: чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиарды тонн на Земле. Когда происходит столкновение двух нейтронных звезд (учтем, что вращаются они со скоростью, примерно равной трети скорости света), выделяется такое огромное количество энергии, что его хватает на синтез, например, драгоценных или редкоземельных металлов. Однако даже по меркам космоса столкновение пульсаров — событие редкое, что и объясняет неравномерное распределение элементов на нашей планете и во Вселенной в целом.
А на этом все, и закончу я на поражающей воображение мысли: высока вероятность, что некоторые компоненты вашего смартфона когда-то возникли в результате столкновения двух нейтронных звезд где-то в космическом пространстве.