Млечный Путь № 3 2020 - Ольга Владимировна Бэйс
Однако все различные формы жизни, которые когда-либо существовали, содержат те же ингредиенты, что и люди: те же самые атомы и те же самые элементы. Всем им требуется стабильный дом, где они могут собираться в формы жизни, которые воспроизводятся и поддерживают себя в течение миллиардов лет: каменистая планета, такая, как Земля, вокруг относительно стабильной звезды, такой, как наше Солнце. Нет никакой гарантии, что неизбежна эволюция чего-то вроде человека, но для каждой планеты во Вселенной с условиями, аналогичными Земле, мы должны признать, что это возможно.
Тогда возникает вопрос: что должно произойти во Вселенной, чтобы планета земного типа вокруг звезды, подобной Солнцу, имела правильные ингредиенты для возникновения жизни? Нельзя просто сказать: "Вселенная была создана таким образом", потому что наука работает не так. В науке, если хотите узнать ответ на вопрос о Вселенной, вы должны опросить саму Вселенную. Мы делаем это, формулируя гипотезы, проводя эксперименты, наблюдения и делая выводы.
К счастью, этот метод очень успешно дает ответы, которые мы ищем.
Первым ингредиентом, который нам нужен, являются элементы, необходимые для жизни: различные атомы, составляющие периодическую таблицу. Когда мы смотрим на Землю и другие тела в нашей Солнечной системе в деталях, включая метеориты, падающие на Землю, мы можем определить, какие элементы присутствуют в каком соотношении, и они включают в себя все элементы, необходимые для жизни.
Изучая Вселенную, в том числе:
* большие массивные звезды,
* вспышки сверхновых,
* маленькие, похожие на Солнце звезды,
* звездные остатки, такие, как белые карлики и нейтронные звезды,
* космические лучи,
* и даже сам Большой взрыв, мы можем определить, откуда берется большая часть элементов.
Если наша Вселенная начинается с горячего Большого взрыва, единственные элементы, которые там создаются, - это водород, гелий и малое количество лития; ничего больше. Причина проста, но ограничительна: на самых ранних, самых горячих стадиях эволюции Вселенной есть много протонов и нейтронов высоких энергий, но также достаточное число фотонов, чтобы каждый раз, когда протоны и нейтроны связываются вместе, появлялся свет и разделял их.
Только после того, как Вселенная расширится и остынет в достаточной степени, протоны и нейтроны могут соединиться вместе, образуя более тяжелые элементы, а это требует времени. Самые легкие элементы могут возникнуть в Большом взрыве, но не более тяжелые. Для них мы должны ждать очень и очень долго: пока не сформируются звезды.
Потребуются десятки или даже сотни миллионов лет, чтобы Вселенная достаточно остыла, а гравитация привлекла достаточно материи, чтобы впервые начать формирование звезд. Для этого Вселенной необходимо:
1. родиться с крошечными изъянами, где в одних регионах больше материи, чем в других,
2. достаточно остыть, чтобы из ионизированных ядер атомов и свободных электронов могли образовываться стабильные атомы,
3. привлечь достаточно вещества, чтобы газовые облака могли схлопнуться и образовать звезды,
4. и чтобы коллапсирующая материя излучила достаточно энергии, чтобы ядерный синтез мог начаться в ядре звезды.
Первая часть - одно из ключевых доказательств космической инфляции; вторая часть - источник космического микроволнового фона, который мы видим; третья - это то, что происходит за все это время - от десятков до сотен миллионов лет; но зачем нужна четвертая часть?
Потому что обычно процесс охлаждения газа с образованием звезд заключается в излучении этой энергии через тяжелые элементы. Без какого-либо из них единственный способ остыть - это излучение газообразного водорода, что ужасно неэффективно. Поэтому самые первые звезды во Вселенной, которые астрономы называют звездами населения III, сильно отличались от звезд, которые формируются сегодня.
В наше время, когда образуются новые звезды, возникает несколько больших массивных голубых звезд, но средняя новая звезда мала: около 40% массы Солнца. Однако из-за отсутствия тяжелых элементов средняя звезда населения III должна была быть примерно в 10 раз массивнее Солнца, а это означает, что все они были недолговечны и погибли при взрывах сверхновых.
В каком-то смысле это хорошо, потому что сверхновые не только создают значительную долю тяжелых элементов, но также приводят к образованию нейтронных звезд, которые затем могут сливаться вместе, образуя самые тяжелые элементы из всех: такие элементы, как йод, золото, платину и вольфрам.
Но это также представляет собой проблему, потому что в ранних звездных скоплениях есть только немного вещества, в то время как сверхновые извергают вещество с невероятно высокой скоростью. Если вы сложите, сколько вещества нужно для образования первых звезд, и сравните это число с тем, как быстро сверхновые выбрасывают вещество, то столкнетесь с загадкой.
Выброшенный материал движется слишком быстро для имеющейся массы, а это означает, что тяжелые элементы должны быть выброшены в межгалактическую среду. Это плохо! Нам нужно сохранить этот материал, чтобы он мог участвовать в звездообразовании будущих поколений. Нам это нужно для помощи в образовании:
* последующего поколения звезд, чтобы мы могли получать звезды малой массы,
* каменистых планет, чтобы возник мир, такой, как Земля, а не только планеты с преобладанием газа,
* и жизни, потому что нам нужна химия, которую создают тяжелые элементы.
Одной обычной атомной материи во Вселенной для этого недостаточно. Все существующие газ, пыль и черные дыры просто не обладают достаточной гравитационной силой, чтобы удерживать этот материал. Во Вселенной, состоящей только из атомов, более массивные структуры, которые мы видим - структуры, подобные той, в которой мы живем, галактике Млечный Путь - были бы невозможны. Для их образования нужен дополнительный ингредиент: темное вещество.
Такие события, как вспышки сверхновых и слияния нейтронных звезд, могут привести к изгнанию нормальной материи с огромными скоростями, как показано здесь (красным) для галактики Мессье 82, где происходит вспышка звездообразования. Во Вселенной без темного вещества этот материал просто выбрасывается в межгалактическую среду, но во Вселенной с темным веществом материал остается в галактике, где может участвовать в формировании будущих поколений звезд.
Благодаря темному веществу ранние звездные скопления и протогалактики могут обладать достаточной гравитацией, чтобы удерживать материал, выброшенный из сверхновых звезд и во время других катаклизмов, втягивая в себя все больше и больше материи. Со временем накапливается достаточно тяжелых элементов, и могут начать формироваться более развитые звезды со значительной долей тяжелых элементов. Эти звезды имеют меньшую массу и не только помогают производить многие элементы периодической таблицы, но и создают белые карлики, которые
