Как химические элементы появились в природе и почему одних много, а других исчезающе мало? Почему золото рождается при слиянии нейтронных звёзд, а литий и бериллий — под ударами космических лучей? И при чём тут капитан Игнат Лебядкин из романа Фёдора Достоевского «Бесы»?
Ответы на эти и другие вопросы прозвучали на второй лекции цикла «Космос в центре внимания» в Ельцин Центре в Екатеринбурге 7 февраля. Её прочитал Дмитрий Вибе — доктор физико-математических наук, профессор РАН, заведующий отделом физики и эволюции звёзд Института астрономии РАН. Цикл приурочен к 65-й годовщине первого полёта человека в космос.
От Демокрита до Менделеева
Прежде чем говорить о структуре космоса, лектор сделал историческое отступление. Как человечество вообще пришло к мысли, что мир состоит из «кирпичиков»? Идея эта очень древняя: ещё в V–IV веках до нашей эры возникли две параллельные концепции — атомизм, восходящий к Левкиппу и Демокриту, и учение о первоэлементах. Атомисты рассуждали так: воду можно делить на всё более мелкие части, пока не дойдёшь до предела — неделимого фрагмента, атома.
Параллельно складывалось представление о том, что количество «строительных материалов» ограничено: огонь, воздух, земля и вода, соединённые «пятым элементом» (квинтэссенцией), порождают всё окружающее. Средневековые алхимики добавляли к этому списку серу, соль и ртуть, но система всё равно оставалась громоздкой.
По словам лектора, в современном смысле термин «химический элемент» впервые использовал Роберт Бойль в 1661 году в сочинении «Химик-скептик». А окончательную форму представления о «кирпичиках» мироздания получили в 1869 году, когда Дмитрий Менделеев сформулировал периодический закон.
— Иногда задают вопрос: не можем ли мы в космосе увидеть какие-то неизвестные нам химические элементы? В современной формулировке таблица Менделеева выстроена в порядке возрастания заряда ядра. И в этом ряду свободных мест нет. 1, 2, 3, 4, 5 и так далее до 118. Все места заняты. Втиснуться тут уже некуда, — объяснил Дмитрий Вибе.
Изотопы: одинаковая химия, разная физика
Отдельную часть лекции астрофизик посвятил изотопам — разновидностям одного элемента с разным числом нейтронов в ядре. Масса ядра не влияет на химические свойства, но играет ключевую роль в физике: именно с массой связано явление радиоактивности, открытое Анри Беккерелем 26 февраля 1896 года. В конце февраля 2026 года исполнится 130 лет этому событию, подчеркнул лектор.
Единственным элементом, чьи изотопы удостоились собственных имён, оказался водород: обычный водород (протий), тяжёлый водород (дейтерий) и сверхтяжёлый водород (тритий). Эта деталь, как выяснилось позже, имеет прямое отношение к одной из главных загадок астрофизики — происхождению земной воды.
Открытие радиоактивности навело учёных на две ключевые мысли: во-первых, химические элементы имеют историю происхождения, а во-вторых, их можно пытаться «рассчитать», моделируя ядерные реакции. Поначалу предполагали, что вся таблица Менделеева возникла из некоего «мегаатома», который постепенно разваливался. Но кривая распространённости элементов показала обратное: лёгких элементов больше, а значит, синтез шёл от маленьких ядер к большим.
Из чего состоим мы и из чего состоит Земля
Перед тем как перейти к космическим масштабам, лектор предложил разобраться с тем, что ближе. Наши тела довольно предсказуемо состоят преимущественно из трёх элементов — углерода, кислорода и водорода. Это различные органические вещества и растворитель — вода. Земная кора — это преимущественно кремний, алюминий и кислород, который образует с этими элементами основные оксиды. Земля в целом — это прежде всего железо: железное ядро планеты определяет её химический портрет.
Небольшой интерактив с залом — «какой третий по распространённости газ в сухой атмосфере?» — дал неожиданный для многих ответ: аргон.
— Тот аргон, которым мы сейчас дышим, имеет абсолютно не то происхождение, как подавляющее большинство аргона во Вселенной. Основной изотоп аргона во Вселенной — аргон-36. А наш земной аргон — это аргон-40, продукт распада радиоактивного калия. Какой самый радиоактивный фрукт? Бананы! Будет возможность — поднесите к банану счётчик Гейгера, — улыбнулся Дмитрий Вибе.
На уровне Солнечной системы картина меняется радикально: абсолютно доминируют водород и гелий, а всего остального набирается от силы пара процентов по массе. При этом в числе самых распространённых элементов — так называемые альфа-элементы, ядра которых как бы сложены из целого ряда альфа-частиц: гелий, углерод, кислород, неон, кремний, магний. Из первой десятки элементов семь — альфа-элементы. Этот факт напрямую связан с механизмами звёздного нуклеосинтеза.
Большой взрыв: три ячейки таблицы Менделеева
Теория Большого взрыва — общепринятая космологическая модель, согласно которой Вселенная возникла около 13,8 миллиарда лет назад из сверхплотного и сверхгорячего начального состояния и с тех пор непрерывно расширяется. Основы этой теории заложили Александр Фридман (1922) и Жорж Леметр (1927), опираясь на уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а наблюдательное подтверждение — расширение Вселенной — обнаружил Эдвин Хаббл в 1929 году.
Первую серьёзную попытку рассчитать, как элементы образовались при Большом взрыве, предприняли в 1948 году Ральф Альфер и его научный руководитель Джордж Гамов (до эмиграции в 1930-х — Георгий Гамов). Статья вышла 1 апреля 1948 года в журнале Physical Review и вошла в историю как «альфа-бета-гамма-теория».
— Гамов, у которого было своеобразное чувство юмора, дописал в статью второго соавтора — Ханса Бете. Бете тоже занимался проблемами происхождения элементов, но к этой работе никакого отношения не имел. Просто Гамову показалось забавным, чтобы список авторов был «Альфер — Бете — Гамов», — заметил лектор.
Расчёты Альфера и Гамова, казалось, давали прекрасное совпадение с наблюдениями и позволяли сделать вывод, что вся таблица Менделеева сформировалась одномоментно. Однако очень скоро выяснилось, что дело обстоит сложнее: в природе не существует стабильных ядер из пяти и восьми нуклонов (общее название для двух частиц, образующих атомное ядро: протона и нейтрона, — ред.). Это создаёт барьер, который при стремительном расширении Вселенной преодолеть не удаётся.
— У нас в начале эволюции Вселенной на все реакции есть буквально несколько минут. Нейтроны в свободном состоянии имеют период полураспада 10 минут. Большой взрыв дал нам пять изотопов трёх химических элементов: водород, дейтерий, гелий-3, гелий-4 и литий-7. Три ячейки таблицы Менделеева — и всё, — констатировал Дмитрий Вибе.
«Звёздные печи»: от водорода до железа
Откуда же взялось всё остальное? По словам лектора, ответ на этот вопрос был получен в ходе попыток объяснить источник энергии Солнца.
Что Солнце когда-нибудь потухнет, знали широко уже в XIX веке. Дмитрий Вибе привёл в подтверждение цитату из романа «Бесы» Фёдора Достоевского, вложенную в уста не самого образованного персонажа — капитана Игната Лебядкина: «Самовар кипел с восьмого часу, но потух, как и всё в мире. И Солнце, говорят, потухнет в свою очередь».
До начала XX века считалось, что Солнце светит за счёт гравитационного сжатия — так называемая гипотеза Кельвина — Гельмгольца. Расчёты давали срок жизни в несколько десятков миллионов лет, и поначалу этого казалось достаточно. Однако всё «испортили» геологи: радиохронология показала, что на Земле есть горные породы возрастом в миллиарды лет. Земля не могла появиться раньше Солнца — значит, гравитационная теория оказалась несостоятельной.
Проблему в начале 1920-х годов решил Артур Эддингтон, сообразивший, что при соединении четырёх протонов в ядро гелия масса продукта оказывается чуть меньше суммы масс исходных частиц, а разница превращается в энергию. Этого «приварочка» достаточно, чтобы обеспечить светимость Солнца на миллиарды лет.
Термоядерное горение водорода — самый длительный и спокойный период в жизни звезды. Нашему Солнцу на это отведено около 10 миллиардов лет. Когда водород в ядре выгорает, звезда превращается в красный гигант, а затем, если температура достигает 150 миллионов кельвинов, начинается синтез более тяжёлых элементов. Первая реакция — тройной альфа-процесс: три ядра гелия сливаются в ядро углерода-12 через неустойчивый бериллий-8. Углерод может захватить ещё одну альфа-частицу и превратиться в кислород-16.
— Вот это тот углерод, из которого мы с вами состоим. А кислород-16 — тот кислород, которым мы дышим, — подчеркнул лектор.
У массивных звёзд процесс идёт дальше: горение углерода, кислорода, кремния. В основе всего — захват альфа-частиц: отсюда и обилие альфа-элементов в космосе. Но цепочка термоядерного синтеза заканчивается на железе: это самые тяжёлые ядра, синтез которых выделяет энергию. Собирать ядра тяжелее железа путём слияния можно только с поглощением энергии — звезду таким «топливом» не обогреть (хотя обратный процесс, деление тяжёлых ядер вроде урана, энергию как раз выделяет — на этом работают ядерные реакторы).
Когда звёзды «кашляют» и взрываются
Звёзды солнечного типа заканчивают жизнь эффектно, но относительно мирно: они раздуваются до колоссальных размеров, теряют оболочку и оставляют после себя красивые планетарные туманности — «кошачий глаз», «эскимос», «муравей», «гантель» — с белым карликом в центре.
Одну из звёзд асимптотической ветви гигантов лектор показал отдельно — IRC+10216. Это объект с концентрическими оболочками, которые звезда выбрасывает с интервалом примерно в 700 лет.
— Когда Солнце превратится в звезду асимптотической ветви гигантов, нам не нужно будет никуда лететь. Мечта Михаила Васильевича Ломоносова — увидеть «горящий вечно океан» — исполнится прямо здесь. Вот она, наша Солнечная система внутри такой звезды: вот Земля, вот Марс, — показал Дмитрий Вибе.
С массивными звёздами происходит нечто более драматичное. После образования железного ядра звезда стремительно остывает, гравитации больше ничто не противостоит, и внешние слои обрушиваются внутрь на околосветовых скоростях. Результат — вспышка сверхновой с коллапсом ядра, при которой оболочка разлетается со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.
Лектор показал несколько знаменитых остатков сверхновых. Крабовидная туманность — результат вспышки, замеченной на Земле в 1054 году. Остаток сверхновой в созвездии Лебедя занимает на небе шесть диаметров Луны. А сверхновая в Кассиопее — загадочный объект: вспышка должна была стать видимой в конце XVII века, когда в Европе уже были телескопы и Кассиопея прекрасно наблюдалась, однако никаких внятных свидетельств не сохранилось.
Термоядерные бомбы размером со звезду
Помимо сверхновых с коллапсом ядра существуют и термоядерные сверхновые — взрывы белых карликов. Белый карлик не может иметь массу больше 1,4 массы Солнца (предел Чандрасекара). Если на него «набросать» вещества сверх этого предела — например, от звезды-соседки в двойной системе, — он теряет устойчивость и взрывается, как термоядерная бомба, проходя весь цикл реакций вплоть до образования железа.
Второй вариант — слияние двух белых карликов. Вращаясь друг вокруг друга, они излучают гравитационные волны, теряют энергию и постепенно сближаются, пока не сольются. Суммарная масса превышает предел — и снова термоядерный взрыв.
— Именно эти явления, термоядерные взрывы на белых карликах, являются основным источником железа в нашей Вселенной, в том числе того железа, которое нас тут окружает, — отметил Дмитрий Вибе.
За пределы железа: медленный и быстрый захват нейтронов
Железо — лишь 26-й номер таблицы. Как синтезировать более тяжёлые элементы? Основной механизм — захват нейтронов. Свободные нейтроны появляются в звёздных недрах при реакциях с участием углерода-13 и азота-14. Ядра поглощают нейтроны одни за другим, и, когда образуется неустойчивый изотоп, он распадается, сдвигаясь по таблице Менделеева. Так, зигзагом, синтезируются всё более тяжёлые элементы — вплоть до висмута.
Этот процесс — медленный захват нейтронов, или s-процесс — идёт в звёздах асимптотической ветви гигантов. Его реальность подтверждает присутствие на поверхности таких звёзд технеция — элемента, у которого нет ни одного стабильного изотопа.
— Технеций не мог попасть на поверхность звезды из предыдущих поколений — он столько не живёт. То, что мы его видим, означает, что он был синтезирован там, внизу, и конвекция вынесла его наверх: смотрите, люди, радуйтесь, реакции там действительно идут, — пояснил лектор.
Для синтеза элементов тяжелее висмута — урана, тория, золота — нужен быстрый захват нейтронов, или r-процесс. Он происходит там, где нейтронов «хоть ложкой ешь»: во вспышках сверхновых с коллапсом ядра и при слиянии нейтронных звёзд. В августе 2017 года такое слияние впервые зафиксировали: был обнаружен всплеск гравитационных волн, гамма-излучение, а в спектре — теллур и цезий, элементы быстрого захвата нейтронов.
— Среди продуктов r-процесса значится и золото. В пресс-релизах писали: «Обнаружен основной источник золота во Вселенной». Хотя на самом деле золота там не увидели — увидели теллур и цезий. Но, если написать «обнаружен основной источник теллура во Вселенной», любой нормальный человек спросит: «А что это?»
Космические лучи и последние пробелы
Оставался ещё один пробел: литий, бериллий и бор — лёгкие элементы, которых по логике должно быть много, но в реальности они редки, как уран. Они сгорают в термоядерных реакциях. Откуда же они тогда берутся?
Ответ — космические лучи, потоки атомных ядер, разогнанных до околосветовых скоростей. О существовании этого излучения стало известно в 1912 году, когда Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре на высоту нескольких километров и обнаружил, что степень ионизации воздуха не падает с высотой, а растёт.
— Рекордная зарегистрированная частица получила название Oh-My-God, — рассказал лектор. — 320 эксаэлектронвольт. Это как бильярдный шар, разогнанный до 150 километров в час. А это — невидимый глазу протончик.
Космические лучи, сталкиваясь на колоссальных скоростях с обычными ядрами, раскалывают их на части. Среди осколков оказываются ядра лития, бериллия и бора — реакции скалывания являются их основным источником. С ними таблица Менделеева оказывается полностью заполнена.
Загадки ближнего космоса
В завершение лекции Дмитрий Вибе рассказал о нескольких нерешённых задачах, связанных с изотопным составом вещества в Солнечной системе.
Первая — происхождение земной воды. Содержание дейтерия в земных океанах не совпадает ни с кометным, ни с «космическим». Ближе всего к земному значению оказываются углистые хондриты — редкий класс метеоритов. Но почему именно они? Что случилось с дейтерием на этапе формирования Солнечной системы? Эти вопросы остаются открытыми.
Вторая загадка — избыток радиоактивного алюминия-26 в ранней Солнечной системе. Его период полураспада — 700 тысяч лет, но он оставил после себя характерный след: избыток магния-26. Радиоактивный алюминий нагревал формировавшиеся планетные тела и буквально «высушивал» их.
Третья — следы железа-60 в определённых слоях земных горных пород. Это радиоактивный изотоп, продукт взрывов сверхновых. Его присутствие — сигнал о том, что где-то по соседству с Солнечной системой когда-то взрывались массивные звёзды, и их вещество долетало до Земли.
Вся Вселенная в одной таблице
Подводя итоги, лектор показал «раскрашенную» таблицу Менделеева, в которой разными цветами обозначены источники происхождения разных элементов. Водород и гелий — наследие Большого взрыва. Часть лёгких элементов рождается в реакциях космических лучей. Элементы от углерода до железа синтезируются в звёздах разных масс. Самые тяжёлые — продукт медленного и быстрого захвата нейтронов. А элементы в самом конце таблицы создали уже мы сами.
— Для «хвоста» таблицы Менделеева Вселенной пришлось пойти особым, извилистым путём: создать планету, развести жизнь на этой планете, чтобы появились существа, которых жажда познания заставляет синтезировать всё более тяжёлые элементы, — заключил Дмитрий Вибе. — Помните о том, что атомы, которые находятся в наших телах, прошли очень сложный путь и побывали в звёздных недрах. Давайте относиться к ним с уважением.
