Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд
Сперва Млечный Путь состоял в основном из газа2, но процесс его отделения от окружающей среды – обрастание крошечного случайного пика плотности все большим и большим количеством вещества – воспроизвелся в микрокосме по мере того, как в результате флуктуаций газового диска начали формироваться звезды. К настоящему времени, спустя 13 миллиардов лет, в звездах находится примерно 90 % галактического газа, и только 10 % осталось для формирования будущих поколений звезд и планет.
Если сказать, что население Галактики составляет более 100 миллиардов звезд, может показаться, что она очень многолюдна, но вряд ли это так. Если мы представим Солнце (диаметром свыше полутора миллионов километров) в виде апельсина в Нью-Йорке, то Земля, размером не превышающая песчинки, расположится на расстоянии 4,5 метра от него. Самая далекая планета, Нептун, будет с горошину и займет свое место в двух городских кварталах, а следующая звезда, по размеру и температуре подобная Солнцу, – и так удачно представленная вторым апельсином, – окажется в Миннеаполисе. На долю звезд приходится лишь 100-миллиардная триллионная доля (примерно 10–23) объема Галактики. Поэтому большая часть Млечного Пути – это то, что мы называем межзвездным пространством.
Это пространство не совсем пустое – там по-прежнему остается 10 % первозданного газа, из которого еще не образовались звезды. Это вещество, как и сама Вселенная, по большей части состоит из Водорода и Гелия, но они распределены неравномерно. Почти во всем межзвездном пространстве частицы газа находятся очень далеко друг от друга: всего 1 атом на 100–1000 кубических сантиметров (всего лишь один атом Водорода в литровом контейнере – эта плотность в 10 000 раз меньше, чем лучший вакуум, который мы можем создать в лаборатории). Температуры в этих областях колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов кельвинов, поэтому большая часть атомов, находящихся там, ионизирована. Высокие температуры и низкие плотности создаются и поддерживаются звездными взрывами, которые мы рассмотрим в главе 16.
В нескольких процентах межзвездной среды (так мы называем вещество между звездами) газ охладился и сконденсировался до гораздо более высоких плотностей, которые составляют от 1 до 100 атомов на кубический сантиметр при температуре от 100 до 200 К. В нескольких процентах из этих процентов есть даже более плотные области – их температура не превышает 10 К, и на каждый их кубический сантиметр приходится от нескольких тысяч до десятков миллионов атомов. В этих плотных холодных облаках иногда возникают молекулы и обнаруживаются микроскопические пылинки, состоящие в основном из Углерода, Кремния и Железа, и здесь же может содержаться вещество, масса которого превышает массу Солнца во много раз, от сотен до миллиона. Именно здесь появляются на свет новые солнечные системы.
Опять же, все начинается с того, что небольшое случайное колебание плотности внутри одного из этих холодных темных облаков начинает прирастать за счет аккреции окружающего вещества. В центре формируется звездное ядро, окруженное вращающимся диском, который простирается на 100 миллиардов километров, а возможно, и еще дальше. Коллапсирующее облако, продолжая сжиматься и отделяться от окружающего вещества, становится протозвездной туманностью, предшественником новой солнечной системы. Обычно более 99 % вещества заканчивает свой путь в центральной звезде (99,86 % в случае нашей Солнечной системы), но окружающий диск все еще содержит примерно 3 триллиона триллионов тонн (3 × 1027 кг) исходного материала, из которого образуются планеты, спутники, астероиды и кометы.
Детали этого процесса выходят за рамки этой книги (и, по крайней мере частично, за пределы наших текущих знаний), но он явно носит восходящий характер: пылинки слипаются, образуя более крупные зерна; зерна слипаются, образуя крошечные камешки; камешки, собираясь вместе, образуют камни – и так далее. Рядом с Солнцем слишком жарко для образования льдов (например из воды, углекислого газа, аммиака), и многие из этих газов, наряду с преобладающими Водородом и Гелием, испаряются из внутренней части Солнечной системы (чем объясняется их отсутствие на Меркурии, Венере, Земле и Марсе). Однако дальше, между современными орбитами Марса и Юпитера, достаточно холодно, поэтому там эти льды могут замерзнуть и добавляются к накапливающимся планетезималям, достаточно быстро создавая ядра планет. Благодаря этому Водород и Гелий остаются связанными, что позволяет существовать газовым (Юпитер и Сатурн) и ледяным (Уран и Нептун) планетам-гигантам внешней Солнечной системы.
Почти весь материал исходного диска уносится на одну из планет, но гравитационные пылесосы не идеальны, и доля в 1 % вещества так и не находит планетарного дома. Эти фрагменты (каменистые и металлические астероиды во внутренней части Солнечной системы, ледяные объекты, подобные Плутону, и кометы, расположенные дальше от Солнца) хранят сведения о том, какой была Солнечная система в самые ранние дни ее существования. Когда один из них попадает на Землю в виде метеорита, мы можем подержать его в руках и посмотреть на кусочек первозданной Солнечной системы, а исследование его атомов позволяет определить его возраст и совершить экскурс в предысторию нашей колыбели.
Древнейшее вещество
Как отмечалось в главе 13, тектоника плит – это процесс динамический, она постоянно меняет форму поверхности Земли, и горных пород, заставших ранние дни существования планеты, у нас уже не осталось. Однако даже если бы не это вечное обновление, столкновения с расплавленной Землей настолько поменяли бы природу камней, что нам было бы гораздо труднее раскрыть загадку их происхождения. Поэтому метеориты – это более полезный, нетронутый образец, доступный нам для воссоздания истоков.
На Землю падают различные метеориты, состав и структура отражают их происхождение. Железные метеориты, которые по меньшей мере на 95 % состоят из Железа, Никеля и Кобальта, происходят из крупных тел (крупных астероидов или протопланет, не успевших стать планетами и погибших в столкновении); эти тела были достаточно массивны, чтобы расплавиться, а тяжелые металлы опустились к центру (такое разделение элементов по массе называется дифференциацией, и именно оно объясняет каменистую природу земной коры и железное ядро). Каменные метеориты, как следует из их названия, похожи на горные породы, состоящие в основном из минералов на основе Кремния и Алюминия; некоторые из них – это чистые камни и,
