Происхождение химических элементов кратко
Обновлено: 06.07.2024
Если мы посмотрим на историю нашей Вселенной, то обнаружим, что в самом начале не было ни Менделеева, ни его периодической таблицы, ни элементов входящих в нее. Наша Вселенная в момент своего рождения была очень плотной и очень горячей. А при таких условиях сложные структуры просто не могут существовать.
Например, при высоких температурах мы можем плавить металлы, то есть можем рушить молекулярную структуру. Повышая температуру, будут разрушаться молекулы на атомы. Атомы также являются составными частицами. Следовательно, повышая температуру дальше мы можем достичь разрушения атомов на отдельные протоны и нейтроны. Повышая температуру еще сильнее, мы продолжим эту матрешку, пока нейтроны и протоны не распадутся на кварки, которые являются фундаментальными частицами и распасться дальше не могут. Поэтому в очень ранней Вселенной не существовало привычного нам вещества.
По мере расширения, Вселенная остывала, что давало возможность образовываться более сложным структурам. Естественно, первым появившимся элементом, судя из таблицы Менделеева, стал водород , поскольку водород — это всего-лишь протон . Это произошло в первые секунды после Большого взрыва.
Поскольку нейтрон немного тяжелее протона, то он появился немного позднее и немного в меньшем количестве. За первые минуты Вселенная расширилась и остыла настолько, что начали происходить термоядерные реакции, в ходе которых стали появляться элементы от водорода до лития включительно. Однако, лития образовалось настолько мало, что его практически не учитывают.
Данный процесс образования первых химических элементов называется первичным нуклеосинтезом . Стоит заметить, что в ходе этого нуклеосинтеза образуется настолько мало лития, что его практически не учитывают, а подсчеты и наблюдения показывают, что Вселенная спустя несколько минут от Большого взрыва на 75% состояла из водорода и почти на 25% из гелия.
В таком составе Вселенная будет пребывать еще долгое время, пока спустя 550 млн лет не образуются первые звезды. В звездах происходит постоянный процесс ядерного синтеза . Большую часть времени звезды преобразуют водород в гелий. Поэтому, по причине процессов в звездах, водорода во Вселенной становится все меньше, а гелия все больше.
Если плотность и температура звезды имеет достаточное значение, то образовавшийся или имеющийся изначально гелий начинает преобразовываться в более тяжелые элементы. Однако, с продвижением по таблице Менделеева требуются все более экстремальные условия.
Экстремальные условия звезда создает сама по себе. Чем тяжелее звезда, тем сильнее она давит сама на себя, тем больше плотность и температура в ее недрах. Следовательно, чем массивнее звезда, тем более тяжелые химические элементы она может производить
Наше Солнце является относительно небольшой звездой, поэтому она может производить элементы только до кислорода. К концу своей жизни Солнце станет красным гигантом, а потом станет белым карликом, сбросив красную оболочку, насыщенную тяжелыми элементами, в космос. Это вещество вместе с таким же сброшенным веществом от других звезд скучкуется и впоследствии образует новое поколение звезд со своими планетами с уже конкретным набором химических элементов.
Все, что когда-либо существовало или когда-либо будет существовать, стало возможным благодаря некоторой перестановке или комбинации элементов, найденных в периодической таблице. Этот красочный набор элементов содержит целую вселенную информации.
Таблица Менделеева делает нашу жизнь намного проще, но в то же время и труднее! Это не только помогает нам помнить и понимать наши элементы, но также вызывает глубокие экзистенциальные вопросы, например, как эти элементы вообще возникли?
Появление материи
Эта попытка обнаружить происхождение химических элементов возвращает нас к началу времен.
Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плотный суп из материи и энергии. Температура была около 10 32 Кельвина. Вселенная начала надуваться и одновременно остывать (хотя температура все еще составляла триллионы Кельвина). Начали появляться элементарные частицы (кварки и электроны).
Когда Вселенной было немногим менее 0,0001 секунды, она начала испытывать новую форму возмущения. Космическая энергия, которая раньше была излучением высокой энергии, начала сталкиваться друг с другом.
Эти столкновения производят частицы (протоны) и античастицы (антипротоны) в процессе, называемом образованием пар.
Вселенная непрерывно выпускала все больше и больше таких пар. С другой стороны, эти протонные и антипротонные пары аннигилировали друг друга и снова превращались в фотоны и излучение.
Теперь, в возрасте 0,0001 секунды, Вселенная была немного холоднее, и фотоны перестали образовывать новые пары, но уже сформированные противоположные пары продолжали аннигилировать друг друга.
Можно было подумать, что в конечном итоге протонов не останется, но, как назло, процесс образования пар был немного более склонен к протонам (мы до сих пор не знаем почему). После того как все процессы прекратились, Вселенная осталась в основном фотонами, а также легкими брызгами протонов.
Быстро расширяющаяся Вселенная заставила несколько протонов столкнуться с электронами, породив нейтроны (на каждые 7 протонов приходится 1 нейтрон). На тот момент Вселенная была на несколько секунд старше и намного холоднее (всего один миллиард Кельвинов).
Протоны и нейтроны собрались вместе, чтобы сформировать ядро/ион первого элемента Водорода (H), который затем слился с другим ядром водорода, чтобы сформировать ядро Гелия (He). Прошло три минуты после Большого взрыва, и соотношение теперь составляет 75% ионов H и 25% ионов He (вместе с очень незначительным количеством Li-ионов). Элементы находятся в ионной форме, потому что Вселенная все еще очень горячая - слишком горячая, чтобы образовывать атомы.
Примерно 380 000 лет после Большого взрыва наступила эпоха рекомбинации. После многих лет расширения и охлаждения Вселенная была наконец готова к тому, что ядра захватили электроны. Ионы H и He рекомбинируют с электронами и образуют первые стабильные атомы (представьте, насколько легкими были бы занятия по химии на этом этапе!), Давая нам нашу первую форму света и эффективно инициируя химическую эволюцию.
Однако после эпохи рекомбинации Вселенная снова потемнела.
Нуклеосинтез и жизнь звезд
Со временем Вселенная остыла, плотные газовые облака собрались вместе под действием силы тяжести и создали первые области звездообразования. Когда облака слились воедино, они начали формировать горячие и тяжелые ядра, которые не хотели становиться больше. Горячее ядро начало гореть, чтобы предотвратить слипание еще большего количества облаков. Так началось соревнование между силой тяжести и давлением горения в конденсированном ядре. Точка, в которой эти две силы приходят в равновесие, - это когда рождается звезда!
За бесчисленные тысячелетия образовалось множество галактик, в каждой из которых мерцали миллионы больших и малых звезд. И что делает их яркими? Их горящие ядра.
Чтобы их ядра не коллапсировали под действием силы тяжести, звездам нужно было подключиться к постоянному источнику энергии. Эта энергия охотно обеспечивалась высвобождением энергии связи.
Представьте, что 4 атома водорода объединяются в ядре суммы; два протона из его ядра остаются, а два других превращаются в нейтроны (n) с помощью квантового туннелирования.
После слияния они образуют ядро гелия. Образовавшийся гелий весит немного меньше общей массы 2 n и 2 p. Недостающая масса - это то, что преобразуется в энергию связи и в конечном итоге питает звезду. Одна такая реакция высвобождает 26,71 мегаэлектронвольт энергии… теперь представьте себе миллионы таких взаимодействий, происходящих с невероятной скоростью!
Горение водорода в звездах
На протяжении всей жизни звезда претерпевает различные стадии сжигания топлива, чтобы не разрушиться. Этот процесс порождает звездный феномен нуклеосинтеза, который начинается с горения или слияния водорода. Звезда тратит 90% своей жизни на превращение водорода в гелий. После того как водород истощен, он начинает превращать гелий в высшие элементы. С каждым новым этапом слияния элементов ядро становится все плотнее, а внешние слои звезд начинают расширяться, постепенно превращаясь в красного гиганта.
Жизненный цикл звезды
Звезды, примерно эквивалентные массе нашего Солнца (или более легкие), могут производить элементы выше гелия только после превращения в красный гигант (что означает, что он вот-вот умрет), поскольку их ядра недостаточно горячи. Однако ядра звезд большой массы делают идеальные котлы для синтеза ядер тяжелее гелия, чтобы генерировать энергию. С этого момента в статье мы будем рассматривать только массивные звезды.
Два атома гелия сливаются, образуя углерод, который затем соединяется с другим гелием, образуя кислород, в результате чего образуются все элементы периодической таблицы вплоть до кремния.
Последний этап стабильной звездной эволюции наступает, когда начинается горение кремния. Когда ядро начинает плавить кремний с железом, дни звезды действительно сочтены. Вскоре в ядре больше не будет ядерных реакций для "победы" над гравитацией. Железо имеет самое стабильное ядро во Вселенной, и его сплавление с чем-то более тяжелым не высвобождает энергию, но фактически требует внешней энергии. Это знаменует начало конца жизни огромной звезды.
Когда в ядре есть только железо (и следы никеля), оно становится настолько плотным, что начинает разрушаться само по себе. В последние несколько минут звезда выглядит слоистой как лук. В последние несколько секунд, когда ядро продолжает разрушаться, все атомы прижимаются друг к другу, что создает колоссальное количество энергии и давления. Это посылает ударную волну энергии по разным оболочкам.
В этот момент звезда становится сверхновой, распыляя каждый созданный ею элемент в бесконечное пространство!
Образование элементов тяжелее железа
Помните последние несколько секунд и только что упомянутую ударную волну? Когда звезда умирает и взрывается в сверхновую, она выделяет огромное количество энергии (температура поднимается до миллиардов Кельвинов) и очень плотное облако нейтронов.
Эти нейтроны взаимодействуют с атомами уже сформированных элементов. Они претерпевают серию сплавов и делений с образованием элементов вплоть до урана, а также нескольких трансурановых элементов, таких как кюрий, калифорний и фермий. Весь этот процесс быстрого захвата нейтронов или r-процесс происходит менее чем за секунду. Такие элементы, как золото, платина и серебро, настолько редки и дороги, потому что для их создания требуется умирающая звезда!
Другой распространенный путь - гораздо более медленный процесс захвата нейтронов, также известный как s-процесс. Это может происходить в различных термоядерных слоях звезды или внутри нейтронной звезды, которая имеет достаточно нейтронов и подходящие условия для захвата. Механизм для s- и r-процессов одинаков.
Ядро элемента захватывает нейтроны и превращается в свой изотоп. Если образовавшийся изотоп нестабилен, ядро подвергается бета-распаду с образованием следующего стабильного элемента. Таким образом, все известные нам элементы, включая железо и вплоть до урана, были произведены этим непрерывным процессом. Другая форма роста ядра - захват протона или p-процесс.
Это верно для всех элементов, за исключением технития и прометия, которые не имеют стабильных изотопов, которые могли бы длиться достаточно долго, чтобы мы могли найти. Все элементы после урана являются искусственными и радиоактивными с коротким периодом полураспада.
Это приводит к другому вопросу . Как элементы, созданные взрывающейся звездой, оказались здесь, на Земле?
Доставка на Землю
Вселенная - это гигантская фабрика для переработки; она перерабатывает и повторно использует каждый кусок материи, который когда-то был создан в процессе химического обогащения. Миллионы галактик, звезд и планет образовались и будут образованы с использованием той же самой первозданной материи, которая осталась после Большого взрыва.
Молодая Вселенная состояла из водорода и ¼ гелия, в то время как остальная часть вещества была незначительной. Однако, после миллиардов лет горения и взрывов, Вселенная теперь состоит из 2% других элементов! Это может показаться не впечатляющим, но в космическом масштабе этого достаточно!
Элементы, выброшенные в космос после смерти звезды, в конечном итоге попадают в новые регионы звездообразования, где молодые звезды начинают свой путь. Из-за гравитации часть мертвых звезд становится частью следующего поколения звезд.
После того, как эти звезды умирают, материя снова возвращается в космос. Этот цикл продолжается снова и снова эоны и тысячелетия. То же самое произошло, когда формировалась наша собственная солнечная система. Большая его часть в конечном итоге создала наш любимый большой огненный шар - Солнце. Однако оставшаяся звездная пыль, вращающаяся вокруг Солнца, в конечном итоге сгруппировалась, образуя астероиды и планеты, включая наш дом - Землю.
Вы не поверите, но все атомы в наших телах старше самой Солнечной системы! Они были созданы в результате серии событий, последовавших за одним событием, которое все началось 13,8 миллиарда лет назад. Золото в наших украшениях и цинк в наших батареях были созданы в последние моменты жизни звезды. Кислород и углерод в нашей газированной воде, железо в нашей крови и кальций в наших зубах были выкованы в тлеющем сердце звезды. Космос действительно находится внутри каждого из нас.
К счастью для нас, недра звезд являются настоящей химической кузницей. В ходе реакций синтеза внутри них могут формироваться элементы до железа. Когда звезда превращается в красного гиганта, а затем сбрасывает внешние слои своей атмосферы (стадия планетарной туманности), синтезированные в ее недрах элементы разлетаются по всей галактике и со временем входят в состав газопылевых облаков, из которых рождается следующее поколение звезд и планет.
Все, что тяжелее железа, как правило, синтезируется в результате вспышек сверхновых или же столкновения нейтронных звезд. Именно последние являются главным источником появления таких элементов как золото и платина.
Представленная ниже инфографика подготовлена командой рентгеновского телескопа Chandra. Она демонстрирует источники происхождения химических элементов в Солнечной системе. Оранжевым показаны элементы, возникшие при взрыве массивных звезд, желтым — в недрах умирающих маломассивных звезд вроде нашего Солнца, зеленым — во время Большого взрыва, голубым — при взрыве белых карликов (сверхновые типа Iа), фиолетовым — при слиянии нейтронных звезд, розовым — из-за космических лучей, белым — синтезированные в лабораториях.
Что касается человеческого тела, то 65% его массы проходится на кислород. Весь кислород в Солнечной системе обязан своим происхождения сверхновым типа II. То же касается примерно 50% всего кальция и 40% железа. Поэтому почти три четверти элементов в нашем теле родилось во время взрывов массивных звезд. 16.5% приходится на вещество выброшенное красными гигантами, 1% на сверхновые типа Iа. Таким образом, утверждение Сагана соответствует действительности примерно на 90%. Именно такая часть наших тел является продуктом звездной эволюции.
Вселенная, которую мы знаем сегодня, почти полностью состоит из загадочной темной материи и еще более загадочной темной энергии. Обычного же вещества в ней совсем немного. В основном, это водород и гелий - самые легкие элементы периодической таблицы Менделеева. Именно эти вещества образовались после Большого взрыва, и именно из них состоит большинство звезд и межзвездного газа. Здесь на Земле это не так очевидно, поскольку нас окружают самые разные элементы таблицы, а некоторые ученые продолжают искать новые сочетания атомов на ускорителях. Но всё, что мы видим на Земле, и из чего состоим сами - лишь малая часть необъятной Вселенной. Как так вышло? Рассказывает профессор РАН Александр Лутовинов.
Лутовинов Александр Анатольевич – заместитель директора по научной работе Института космических исследований Российской академии наук, профессор РАН.
- Согласно современным представлениям, в том числе модели Большого взрыва, первых химических элементов было совсем немного. Известно, что это был водород и гелий.
- И чуть-чуть лития.
- Почему именно эти элементы?
- В изначальной модели Большого взрыва (кстати, предложенной нашим соотечественником Г. Гамовым) предполагалось, что большинство известных элементов возникло в первые минуты после Большого взрыва. Но вскоре стало понятно, что это не совсем так – из-за отсутствия в природе стабильных элементов с массами 5 и 8 произвести в имеющихся на тот момент условиях более тяжелые элементы практически невозможно. Таким образом, согласно принятой на сегодняшний день модели, в первые минуты после рождения Вселенной появились лишь водород, гелий и немного лития.
- А как развивались события дальше?
- Ранняя Вселенная была очень горячей. Она состояла из полностью ионизированного вещества, т.е. отдельных барионов и свободных электронов, которое находилось в состоянии теплового равновесия с излучением. Фотоны постоянно излучались, поглощались, снова переизлучались. Так продолжалось примерно 380 тысяч лет, пока Вселенная не охладилась настолько, что электроны начали соединяться с протонами или альфа-частицами, тем самым сформировав первые атомы. Тогда на водород приходилось около 92% всех атомов Вселенной, а остальные восемь процентов практически полностью приходились на образовавшийся в первые минуты гелий с малыми примесями лития.
- Тогда откуда появились остальные элементы?
- Другие элементы появились в звездах. Фактически, звезды – это самые мощные фабрики по производству химических элементов во Вселенной.
- Но если первых элементов фактически было всего два, откуда взяться элементам в этих звездах?
- А вот это действительно интересно, и связано с вопросом о происхождении первых звезд. Представьте себе однородную Вселенную, состоящую из водорода и гелия. Здесь каким-то образом должны были образоваться первичные сгустки вещества, которые стали бы зачатками первых плотных объектов, то есть первых звезд. Это достаточно сложный процесс, поскольку газ в такой системе был очень горячий, и его так просто не сожмешь, чтобы создать звезду. Для этого, в первую очередь, необходимо каким-то образом понизить температуру вещества. Это может достаточно эффективно осуществляться с помощью пыли или многоатомных молекул тяжелых элементов, как это происходит в современной Вселенной. Однако на ранних стадиях ни того, ни другого не было. Согласно современным теориям эффективное охлаждение первичной материи осуществлялось молекулярным водородом.
"ЗВЕЗДЫ – ЭТО САМЫЕ МОЩНЫЕ ФАБРИКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВО ВСЕЛЕННОЙ"
Второй проблемой является создание первичных неоднородностей гравитационного поля, где могло бы начать формироваться протозвездные облака и сами звезды. И вот здесь на помощь приходит темная материя. У нее есть замечательное свойство – она напрямую не взаимодействует с электромагнитным излучением, однако оказывает гравитационное воздействие на барионное вещество. Если представить, что в этой темной материи образовываются области с повышенным гравитационным потенциалом, можно сказать гравитационные ямки, то охлаждаемое вещество начнет постепенно туда стекаться, образуя место формирования гравитационно-связанных объектов – первых звезд и галактик.
По разным оценкам, первые звезды сформировались примерно через 300-400 миллионов лет после Большого взрыва, хотя некоторые исследователи считают, что это могло произойти гораздо раньше – уже через 30-70 миллионов. Это очень важный вопрос, от правильного ответа на который может зависеть дальнейшее построение модели развития Вселенной.
Первые звёзды должны были быть очень большими, по некоторым оценкам их массы могли достигать 300 или даже 500 масс Солнца (для сравнения, большинство современных звезд являются маломассивными объектами с массами сравнимыми или меньше солнечной). В ядре такой звезды из-за огромных давлений и температур создавались оптимальные условия для реакций термоядерного синтеза и образования новых элементов.
Вообще, массивные звезды живут недолго. К примеру, характерное время эволюции звезд типа нашего Солнца составляет примерно 10 миллиардов лет. А первые звезды, по некоторым оценкам, жили всего лишь несколько миллионов лет. Они были чрезвычайно яркими, светили в миллионы раз ярче Солнца, очень быстро прогорали и взрывались сверхновыми. Возможно, некоторые из них оставили после себя первые черные дыры.
- Как ученые поняли, что элементы на Земле звездного происхождения?
- А они не могут быть иного происхождения. Сейчас достаточно хорошо разработана теория возникновения Солнечной системы. Считается, что она образовалась из части газопылевого облака, центральные области которого сколлапсировали, образовав Солнце. Внешние части образовали протопланетный диск, в котором образовались локальные центры гравитационного притяжения и планеты.
Откуда взялось это газопылевое облако? Скорее всего, из вещества другой звезды, предположительно массивной, которая когда-то давным-давно взорвалась, выбросив в космическое пространство большое количество химических элементов, образовавшихся в течение ее жизни. И, соответственно, оттуда же и взялись все элементы, которые мы встречаем на Земле. Впоследствии, Земля и дальше обогащалась элементами, поскольку из космоса постоянно прилетали астероиды, кометы и сталкивались с ней.
- А какое количество элементов может выделяться при взрыве звезды?
- Это зависит от множества факторов, но прежде всего от массы звезды. Как уже говорилось выше, если она не очень большая, примерно как наше Солнце, то живет достаточно долго. Миллиарды лет в ней идут термоядерные реакции, основой которых является так называемый pp-цикл (протон-протонный цикл). При протон-протонном цикле сталкиваются протоны, образуя водород, который, сгорая, образует гелий. Когда водород прогорает, начинает гореть гелий. Из гелия в дальнейшем получается углерод.
Всё это – процессы сложных термоядерных реакций, которые идут при температурах 10-15 млн. градусов в случае протон-протонного цикла и существенно более высоких значениях (примерно 100-150 млн. градусов) для горения гелия. Кстати, если сталкиваются два ядра гелия – образуется бериллий 8 Ве. Но дело в том, что он неустойчив, и время его жизни составляет примерно 10 -16 секунды, поэтому он быстро распадается. Но при достаточно высокой плотности и температуре существует вероятность, что за это время с ядром бериллия столкнется еще одно ядро гелия. И эта реакция – ключевая. Образуется углерод – основа жизни.
Далее углерод может захватить еще один гелий, и получится кислород. Также может образоваться азот и, возможно, неон. Но на этом этапе, как правило, процесс заканчивается, поскольку энергии звезды, температуры и давления в ее недрах уже не хватает, чтобы инициировать дальнейшие термоядерные реакции. Из такой звезды со временем образуется белый карлик – звездочка размером с Землю, но с примерно солнечной массой. Этот белый карлик будет состоять, в основном, из углерода, с примесью кислорода и некоторых других элементов. Образно говоря, белые карлики - это самые большие алмазы во Вселенной.
"ЗНАТЬ ОТВЕТЫ НА ВСЕ ВОПРОСЫ, НАВЕРНОЕ, ЗАМАНЧИВО, НО НЕИНТЕРЕСНО. ПОЛУЧАЕТСЯ, ЧТО НЕКУДА ДАЛЬШЕ ДВИГАТЬСЯ. ПОЭТОМУ, КАК МНЕ КАЖЕТСЯ, ВСЕГДА ДОЛЖНО ОСТАВАТЬСЯ ЧТО-ТО НЕПОЗНАННОЕ, КАКОЕ-ТО НОВОЕ ЗНАНИЕ, К КОТОРОМУ ЧЕЛОВЕК ДОЛЖЕН СТРЕМИТЬСЯ. ТОЛЬКО ТАК ОН БУДЕТ РАЗВИВАТЬСЯ"
В какой-то момент центральное ядро уже не может удерживаться от дальнейшего коллапса. Все вещество словно падает внутрь, а затем взрывается и под действием ударных волн разлетается во все стороны во время вспышки сверхновой, разбрасывая химические элементы по Вселенной. Многие из них являются радиоактивными и при дальнейшем распаде излучают рентгеновские и гамма-кванты. Эти кванты излучаются преимущественно в виде линий, которые могут регистрироваться современными космическими обсерваториями, и интенсивность которых позволяет оценить количество того или иного элемента. Например, наблюдая с помощью обсерватории ИНТЕГРАЛ остаток вспышки сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке, мы зарегистрировали излучение в линиях, соответствующих распаду радиоактивного титана-44, и оценили количество этого элемента, родившегося во время этой вспышки.
Важно отметить, что на последних стадиях перед вспышкой сверхновой может происходить процесс нейтронизации, когда железо сталкивается с гамма-квантом и распадается на несколько атомов гелия и нейтроны. Образуется среда, сильно обогащенная нейтронами, где могут проходить процессы так называемого быстрого нейтронного захвата и образовываться элементы тяжелее железа, которые не могут быть синтезированы в термоядерных реакциях. Но и это еще не все.
- А что дальше?
Известно, что после исчерпания запасов топлива и вспышки сверхновой массивная звезда может превратиться в нейтронную звезду. Представьте себе объект с массой примерно равной или немного больше массы Солнца, который сжат до радиуса 10 километров (немногим больше, чем Третье транспортное кольцо Москвы). Внутри этого объекта плотность оказывается настолько велика, что электроны просто вжимаются в протоны, фактически формируя гигантское нейтронное ядро, в самом центре которого плотность может в разы превышать ядерную. Если рядом находилась другая звезда, которая впоследствии тоже превратилась в нейтронную звезду, то может образоваться система из двух нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга. В соответствие с предсказаниями общей теории относительности в этом случае должны испускаться гравитационные волны.
- То есть белых пятен еще много?
- А на какие вопросы нужно ответить в первую очередь?
- Астрофизика, космология – очень богатые науки. Здесь много неизведанного, непонятного, множество разных объектов для исследований. Сейчас есть несколько ключевых задач, на решение которых или на понимание физики которых направлены большие усилия. Одно из них – темная материя. Из чего она состоит, что это такое? Есть несколько теорий, но наблюдений, подтверждающих какую-то из них, пока нет. Еще более непонятная субстанция – темная энергия, из которой, по современным данным, состоит около 70% Вселенной. Считается, что именно она ответственна за ее ускоренное расширение.
Для меня как ученого, изучающего нейтронные звезды, крайне интересно узнать – из чего они все-таки состоят. Чтобы ограничить возможные сценарии, необходимо постараться наиболее точно измерить массу и радиус этих звезд. И, на самом деле, это очень непростая задача, которую несколько групп в мире, в том числе и наша, пытаются решить. Зная массу и радиус звезды, можно получить ограничения на уравнение состояния, которое как раз связано с составом звезды. Есть разные теории, которые предсказывают в центре звезды кварковое ядро, в котором нейтроны разваливаются на составляющие их кварки, гиперонное ядро из барионов, каонное ядро из двухкварковых частиц с одним странным кварком и т.д. Таким образом, понимание того, какова природа нейтронных звезд, из чего они состоят – это, на мой взгляд, одни из важнейших вопросов. Ответы на них стали бы огромным шагом в понимании устройства Вселенной.
- Как химики взаимодействуют с астрофизиками?
Вопросы происхождения элементов в космосе недавно обсуждались на очень представительном международном астрофизическом симпозиуме, который проходил в рамках Менделеевского съезда в сентябре в Санкт-Петербурге. Это был первый опыт участия астрофизиков в столь масштабном мероприятии, проводимом нашими коллегами-химиками, и, по многочисленным отзывам, он оказался очень позитивным. В частности, один из пленарных докладов на съезде представила президент Международного Астрономического союза, профессор Эвина ван Дисхук. Доклад произвел на всех (а это несколько тысяч человек!) очень большое впечатление, в нем ярко и очень интересно было рассказано о том, как химические элементы или даже молекулы рождаются в космосе.
Сам астрофизический симпозиум был также чрезвычайно интересным. На съезд приехали специалисты и по первичным звездам, и по нуклеосинтезу, и те, кто изучает вспышки сверхновых и слияния нейтронных звезд. Много дискуссий было посвящено звездам в центре галактики, вопросам повышенного содержания металлов в таких объектах.
- Человечество когда-нибудь приблизится к абсолютному знанию о Вселенной?
- Знать ответы на все вопросы, наверное, заманчиво, но неинтересно. Получается, что некуда дальше двигаться. Поэтому, как мне кажется, всегда должно оставаться что-то непознанное, какое-то новое знание, к которому человек должен стремиться. Только так он будет развиваться.
Читайте также: