Ученые раскрыли, как возникают самые тяжелые элементы во Вселенной
Группа международных исследователей вернулась к формированию Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад, чтобы по-новому взглянуть на космическое происхождение самых тяжелых элементов. И обнаружила, как именно же они образовались и во время какого процесса.
Тяжелые элементы, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, такие как железо и серебро, не существовали в начале Вселенной 13,7 миллиарда лет назад. Они были созданы во времени в результате ядерных реакций, называемых нуклеосинтезом, которые объединили атомы вместе. В частности, йод, золото, платина, уран, плутоний и кюрий — некоторые из самых тяжелых элементов — были созданы с помощью особого типа нуклеосинтеза, называемого процессом быстрого захвата нейтронов или r-процессом.
Вопрос о том, какие астрономические события могут производить самые тяжелые элементы, оставался загадкой на протяжении десятилетий. Сегодня считается, что r-процесс может происходить во время сильных столкновений между двумя нейтронными звездами, между нейтронной звездой и черной дырой или во время редких взрывов после смерти массивных звезд. Такие высокоэнергетические события происходят во Вселенной очень редко. Когда это происходит, нейтроны включаются в ядра атомов, а затем превращаются в протоны. Поскольку элементы в периодической таблице определяются количеством протонов в их ядрах, процесс r создает более тяжелые ядра по мере захвата большего количества нейтронов.
Некоторые из ядер, образованных в результате r-процесса, радиоактивны, и для их распада на стабильные ядра требуются миллионы лет. Йод-129 и кюрий-247 — два таких ядра, которые были образованы до образования Солнца. Они были включены в твердые тела, которые в конечном итоге упали на земную поверхность в виде метеоритов. Внутри этих метеоритов в результате радиоактивного распада образовался избыток стабильных ядер. Сегодня это превышение можно измерить в лабораториях, чтобы определить количество йода-129 и кюрия-247, которые присутствовали в Солнечной системе непосредственно перед ее образованием.
Почему эти два ядра r-процесса такие особенные? У них есть обычное свойство: они распадаются почти с одинаковой скоростью. Другими словами, соотношение между йодом-129 и кюрием-247 не изменилось с момента их создания миллиарды лет назад.
«Это удивительное совпадение, особенно с учетом того, что эти ядра являются двумя из пяти радиоактивных ядер r-процесса, которые можно измерить в метеоритах. Когда соотношение йода-129 и кюрия-247 застыло во времени, как доисторическое ископаемое, мы можем напрямую взглянуть на последнюю волну производства тяжелых элементов, которая сформировала состав Солнечной системы и всего в ней».
Бенуа Котэ, обсерватория Конколы
Йод с его 53 протонами создается легче, чем кюрий с его 96 протонами. Это связано с тем, что для достижения большего числа протонов кюрия требуется больше реакций захвата нейтронов. Как следствие, соотношение йода-129 и кюрия-247 сильно зависит от количества нейтронов, которые были доступны во время их создания.
Команда рассчитала соотношение йода-129 к кюрию-247, синтезируемые столкновениями нейтронных звезд и черных дыр, чтобы найти правильный набор условий, воспроизводящих состав метеоритов. Они пришли к выводу, что количество нейтронов, доступных во время последнего события r-процесса перед рождением Солнечной системы, не могло быть слишком большим. В противном случае было бы образовано слишком много кюрия по сравнению с йодом. Это означает, что очень богатые нейтронами источники, такие как материя, оторвавшаяся от поверхности нейтронной звезды во время столкновения, вероятно, не играли важной роли.
Так что же создало эти ядра r-процесса ? Хотя исследователи могли предоставить новую информативную информацию о том, как они были созданы, они не смогли определить природу астрономического объекта, который их создал. Это связано с тем, что модели нуклеосинтеза основаны на неопределенных ядерных свойствах, и до сих пор неясно, как связать доступность нейтронов с конкретными астрономическими объектами — такими, как массивные взрывы звезд и сталкивающиеся нейтронные звезды.
С помощью этого нового диагностического инструмента достижения в области астрофизического моделирования и понимания ядерных свойств могут выявить, какие астрономические объекты создают самые тяжелые элементы Солнечной системы.
Источник
Откуда взялись все химические элементы?
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.
Источник
Вселенная и тяжёлый металл
Нам приписывают рождение чего-то вроде тяжёлого металла. Если это так, то нам срочно надо сделать аборт.
— Джинджер Бэйкер, основатель британской рок-группы Cream
Посмотрите вокруг себя. Внимательно оглядитесь вокруг. На всё, что вас окружает – камни, деревья, горы, небо, облака, Солнце, воду, всё живое.
Из чего всё это состоит?
На фундаментальном уровне всё, известное вам, всё, находящееся на Земле, состоит из атомов. Водород, углерод, азот, кальций, железо, золото, и т.п. Все элементы Вселенной комбинируются множеством различных способов для получения всего, что мы можем наблюдать во Вселенной. А если мы заглянем в суть предметов, мы увидим то самое, что придаёт каждому атому его особенные свойства.
И, как ни удивительно, это будет просто количество протонов в ядре атома. И всё многообразие существующих в нашем мире вещей может существовать только потому, что в мире существует изобилие различных элементов, от водорода до урана и дальше.
Но все эти элементы не всегда существовали. И, конечно же, их не всегда было так много, как сегодня. К примеру, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная охладилась достаточно, чтобы в ней произошли все ядерные реакции, которые могли произойти при существовавших условиях. И мы можем сказать, какие элементы находились в тот момент во Вселенной.
Как это ни странно, но Вселенная (по массе) состоит на 76% из водорода, на 24% из гелия, и не более чем на 0,0000001% из всех остальных элементов, вместе взятых. Вселенная без проблем остывала и порождала нейтральные атомы, но поскольку в ней появились только водород с гелием и пренебрежимо малое количество иных атомов, остаётся только удивляться, глядя на то, что у нас есть сегодня.
Откуда же всё это взялось? Все имеющиеся сегодня элементы появились, и появляются до сих пор одним способом: в звёздах.
Наше Солнце, как и большинство звёзд, в ходе ядерного синтеза превращает водород в гелий, и именно это питает наше светило. Но самые тяжёлые, массивные звёзды жгут своё топливо гораздо быстрее. А когда они сжигают весь водород, то получившийся гелий они превращают в углерод, а потом в азот, кислород, неон и натрий, а потом в кремний и серу, а потом в железо, никель, кобальт и медь.
До этого этапа доходят звёзды, масса которых превышает солнечную минимум в восемь, а то и в сотни раз. Нашему Солнцу потребуется порядка десяти миллиардов лет для того, чтобы сжечь всё его топливо. А более массивные звёзды горят от десятков миллионов до всего лишь десятков тысяч лет до тех пор, пока у них в ядре не кончится топливо! И следующий этап получается весьма зрелищным.
Звезда превращается в сверхновую, и испускаемой ею энергии хватает на создание всех элементов Вселенной, причём в огромном количестве.
На видео показано, как эти элементы разлетаются и попадают во Вселенную. С точки зрения чистого водорода и гелия можно сказать, что они «загрязняют» Вселенную. Но если вам нравится обилие всех этих тяжёлых металлов и других элементов во Вселенной, вы можете сказать, что они обогащают её.
В некоторых регионах, богатых в прошлом звёздами большой массы – особенно там, где сменилось уже множество поколений звёзд – можно найти огромное количество металлов. Именно такая картина наблюдается в том участке космоса, где находится Солнце. Ведь в нём есть огромное количество спектральных линий поглощения, однозначно определяющих наличие тяжёлых элементов!
В отличие от «чистой» Вселенной, наш район космоса обогащён, и примерно 2% всех находящихся в нём элементов оказываются тяжелее водорода или гелия. Нашему Солнцу предшествовали не менее двух поколений звёзд, которые сформировались, сожгли своё горючее, умерли и обогатили свой район космоса. Но наш регион никак нельзя назвать одним из самых богатых регионов Вселенной, или даже нашей галактики.
А где мы можем искать такие регионы?
Огромное количество элементов тяжелее гелия, которые космологи называют металлами, находится в центрах самых массивных галактик – самых ярких, активных и жестоких регионов, известных во Вселенной.
Галактики начали формировать звёзды всего через 50-100 миллионов лет после Большого взрыва, и в самых массивных, богатых галактиках, перед тем, как их свет дойдёт до нас, может смениться не одно или два, а множество поколений звёзд.
Поэтому, когда я вижу новости типа такой:
Учёные удивились, открыв, что углерод существовал во Вселенной гораздо раньше, чем считалось ранее.
я крайне поражаюсь. Потому, что если они не имеют в виду под «ранее» 1920-й год, мы-то уже так не считаем!
Это TN J0924-2201, самая дальняя из открытых радиогалактик (с красным смещением z = 5,19. Чем больше число красного смещения, тем моложе тогда была Вселенная, и тем дальше объект от нас). О ней была написана научная работа. Но так ли удивительно, что в этой галактике обнаружено так много тяжёлых металлов? Процитируем статью:
Пусть вас не обманывают заголовки: хорошо известно, что Вселенная была богатой металлами и серьёзно эволюционировала уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть, когда её возраст составлял всего 5% от нынешнего! К примеру, обратим внимание на эту галактику-«младенца»:
Этой галактике всего 700 миллионов лет, её красное смещение таково, что приходящий от неё свет – большая часть которого была голубой или ультрафиолетовой – уже сместилась из видимой части спектра! И всё же эта галактика не только в 8 раз больше по массе, чем Млечный путь, но и даже богаче тяжёлыми элементами, чем наше Солнце!
И всё-таки нам известно, что в какой-то момент в прошлом самые первые из сформировавшихся звёзд состояли лишь из водорода и гелия. Где это было? Остаётся лишь заглядывать дальше в прошлое.
Пока что это самая дальняя из всех известных нам галактик: UDFj-39546284. Она существовала, когда Вселенной было всего 480 млн лет, то есть 3,5% от сегодняшнего её возраста!
В этой галактике есть небольшое количество горячих голубых звёзд, и её масса меньше, чем 1% массы Млечного пути! Там ли формировались первые звёзды? Типична ли эта галактика для существовавших тогда, на ранних этапах жизни Вселенной?
Согласно лучшим нашим теориям мы не будем удивлены, если настолько ранние галактики были богаты металлами, и – во многих случаях – их массы были сравнимыми с массой Млечного пути. Но в какой-то момент какая-то из удалённых галактик окажется самой первой. И мы хотим знать, где это было и когда. И сейчас для выяснения этого обстоятельства разрабатывается только один план.
И это всего лишь одна из причин, по которым нам нужен космический телескоп им. Джеймса Уэбба!
А пока мы его не запустили, не удивляйтесь, что дальние части Вселенной состоят из тяжёлых металлов, эволюционировавших звёзд и массивных галактик. Вселенная – это место, где всё, что нам известно, происходит очень быстро. Остаётся догадываться, сколько лет назад, при подходящих условиях могли сформироваться планеты и даже жизнь!
Источник