Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен
Учитывая скромные размеры Солнца, углерод окажется конечным продуктом ядерных процессов. Когда запасы гелия иссякнут и ядерные реакции прекратятся, гравитация все-таки выиграет 10 000 000 000-летнюю войну. Солнце сожмется, превратившись в белый карлик — насыщенную углеродом звезду размером с Землю, с диаметром менее сотой доли нынешнего. В процессе медленного охлаждения и сжатия звезды бо́льшая часть запасов только что образовавшегося углерода будет заблокирована в ней навсегда, «подобно бриллианту в небе»[11].
У звезд крупнее Солнца судьба иная, поскольку их внутреннего давления и температуры достаточно, чтобы часть ядер углерода-12, соединившись с альфа-частицами, образовала более тяжелые элементы — кислород-16, неон-20, магний-24 и другие. При этом происходит каскад ядерных реакций, и каждое преобразование добавляет звезде энергии, обогащает ее новыми химическими элементами и противостоит непреклонной силе тяготения. Реакции происходят одна за другой все быстрее и быстрее, пока звезда не примется за образование железа-56. Последние стадии синтеза происходят за секунды. У всех элементов в цепочке, заканчивающейся железом, каждое новое ядро стабильнее предыдущего, а каждая ядерная реакция высвобождает энергию и поддерживает горение звезды, как будто подбрасывая дров в ревущий огонь. Но железо-56 — это конечный ядерный пепел. Что бы вы ни пытались сделать с ядром железа-56 — добавить или забрать протон, добавить или забрать нейтрон, — любая реакция с этим элементом потребует энергии. Когда ядро звезды превращается в железо, направленный вовне напор ядерных реакций прекращается почти мгновенно и гравитация так же быстро берет над ним верх.
Главное последствие этого звездного «выключения» — разрушительный взрыв, в котором участвует вся звездная масса. Весь оставшийся водород, гелий, углерод и остальные элементы затягиваются внутрь со всевозрастающей скоростью, достигающей существенных долей скорости света, пока не взорвутся. В этих хаотических условиях, когда температура и давление вырастают до значений, невиданных со времен Большого взрыва, атомные ядра интенсивно сталкиваются и сливаются, их протоны и нейтроны буквально перемешиваются, образуя все более тяжелые комбинации. Так в конечном счете возникает более половины элементов Периодической таблицы. То, что мы наблюдаем как взрыв сверхновой, на самом деле представляет собой разрушительный распад всей этой звездной массы — беспорядочной смеси множества новых элементов, разлетающихся в пространстве.
Остальные химические новинки, к которым относится бо́льшая часть тяжелых элементов Периодической таблицы, появляются как удивительные отголоски взрывов сверхновых. В процессах, которые только сейчас становятся понятными, гравитация захватывает часть остатков каждой сверхновой и образует из них странные плотные звездоподобные объекты. Если эти остатки тяжелее нашего Солнца примерно раза в три, то образуется черная дыра — объект настолько массивный, что он сжимается в точку, откуда ничего, даже свет, не может вырваться.
Если остатки сверхновой составляют одну-две массы Солнца, итоговый гравитационный коллапс порождает другой объект — нейтронную звезду, в которой протоны и электроны сталкиваются друг с другом, формируя сверхплотное скопление нейтронов. Нейтронная звезда, вдвое превышающая по массе наше Солнце, сжимается в объект диаметром всего несколько километров. Принимая во внимание широкое рассеивание атомных частиц после единичного взрыва сверхновой, вполне можно ожидать образования двух нейтронных звезд. Получившаяся в результате нестабильная конфигурация двойной звезды в конечном счете приводит к еще одной космической катастрофе — событию, когда сталкиваются две нейтронные звезды. Это событие называется «килоно́вая». Итоговое слияние ядерных частиц происходит с такой интенсивностью, что из этого хаоса возникает почти вся Периодическая таблица элементов.
Последствия ошеломительны. В итоге таких космических катастроф появляются основные химические элементы тяжелее железа — драгоценные золото и платина, практичные медь и цинк, ядовитые мышьяк и ртуть, высокотехнологичные висмут и гадолиний. Каждый атом этих элементов, обнаруженный здесь, на Земле, прибыл сюда после распада массивных звезд. Вольфрамовые абразивы, молибденовые сплавы, германиевые полупроводники, самариевые магниты, циркониевые ювелирные камни, никель-кадмиевые батарейки, стронциевые люминофоры — все это есть у нас благодаря взорвавшимся древним звездам.
Только после того, как первое поколение сверхновых засеяло Вселенную полным набором химических элементов, и смогли возникнуть каменистые планеты (планеты земной группы), а также новое поколение звезд, вырабатывающих углерод. Многие из этих звезд взорвались, создав еще больше углерода и других тяжелых элементов для новых планет и будущих поколений звезд, сильнее обогащенных металлами. Этот нескончаемый бурный цикл создания и рассеивания элементов продолжается во Вселенной по сей день.
Наша Солнечная система сформировалась в результате множества предшествующих звездных циклов, растянувшихся по времени более чем на 13 млрд лет, поэтому она обогащена углеродом — в его кристаллической форме.
ВСТУПЛЕНИЕ — Земля появляется и эволюционирует
Атомы смешиваются, создавая кристаллы необычайной красоты и разнообразия. Земная кора, мантия и ядро Земли содержат углеродистые соединения в огромных количествах: алмаз, графит и более 400 других кристаллических углеродсодержащих минералов составляют главные запасы углерода в Земле. Эти многочисленные минеральные разновидности рассказывают живую историю широкомасштабной 4 500 000 000-летней эволюции Земли, а их современные синтетические аналоги проявляют удивительное разнообразие и играют важную роль в сегодняшнем высокотехнологичном мире.
Первые кристаллы в космосе
Углерод чрезвычайно общителен. Атомы углерода рождаются по одному, но не могут выносить одиночества. Они используют любую возможность, чтобы соединиться с четырьмя другими атомами. Поэтому химия углерода, основанная на этом отчаянном желании углерода соединяться, должно быть, началась очень рано, чуть ли не на заре творения. Окруженные водородом, первичные атомы углерода быстро обзавелись четырьмя компаньонами и стали молекулами CH4 — метана, основного компонента природного газа.
Химия углерода стала гораздо интереснее, когда звезды начали взрываться, рассеивая в небесах новые химические элементы. Важным новым элементом стал кислород — химически активный атом, который вступал в прочные соединения с углеродом. На сцене быстро появились молекулы угарного (CO) и углекислого (CO2) газов. Другие атомы этого элемента соединились с многочисленными атомами азота и водорода в смертельную синильную кислоту (HCN) или с также повсеместно распространенными серой и фосфором — в десятки разнообразных молекул.
Из всех этих небольших первичных молекул образовались газы, которые объединились с водородом и гелием в большие облакоподобные туманности — колыбели звезд{16}. Углерод также не упустил возможности соединять между собой свои же атомы, и в результате возникли структуры типа цепочек, колец и решеток
