Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Среди элементов, участвовавших в первичном нуклеосинтезе, оказались не все наши гиды-водороды, а только Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум. Они удачно столкнулись с нейтронами и превратились в ядра дейтерия (ядро дейтерия, тяжелого водорода – дейтрон – 2H, D). Кроме того, давление и температура во Вселенной в то время были благоприятными для термоядерной реакции, при которой ядра дейтерия превращались в ядра гелия-4. Поэтому Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум, будучи ядрами дейтерия, смогли соединиться со свободными ядрами трития. В результате на их основе образовались ядра гелия-4, которые состоят из 2 протонов и 2 нейтронов. Так как масса гелия меньше, чем сумма масс четырёх свободных протонов, то часть массы в этой реакции перешла в энергию фотонов. Гидрожен, Оксижен и Нитрожен оказались в менее насыщенной частицами части плазменного скопления, и поэтому им не удалось встретиться в космосе с другими элементами и сменить прежнюю форму своего существования на более сложную. Они продолжали свои космические одиссеи в форме стабильного изотопа водорода – протия (ядро протия – 1H: 1 протон и 0 нейтрон). Все наши гиды путешественники на протяжении последующих нескольких сотен миллионов лет находились в одном из локальных сгущений плазмы. Поэтому они не разбрелись по просторам космоса, несмотря на то, что расстояния между плазменными облаками неимоверно быстро увеличивались за счет быстрого расширения Вселенной.

Заглядывая в будущее, отметим, что после первичного нуклеосинтеза сформировавшийся химический состав вещества во Вселенной оставался постоянным в течение около 300 млн. лет, до образования первых звёзд, ядерные реакции внутри которых стали генераторами новых порций гелия и более тяжелых элементов. Да и после образования огромного числа звезд, и генерации ими гигантской массы тяжелых элементов в течение миллиардов лет, общий химический состав Вселенной мало изменился. Так, к настоящему времени всё вещество представлено водородом на 74 %, гелием на 24 %, всеми более тяжелыми элементами вплоть до урана на 2 %. Относительно небольшая «наработка» элементов тяжелее гелия указывает на неимоверно гигантские объемы исходных химических элементов во Вселенной.

Вернемся к начальным этапам эволюции Вселенной. На протяжении приблизительно 180 тысяч лет ПБВ Вселенная была заполнена горячей, плотной электрон-фотон-протонной плазмой, образованной в результате первичного ядерного синтеза (нуклеосинтеза). Эта плазма включала наряду с ядрами водорода (протонами) и гелия (альфа-частицами), немного ядер лития и совсем мало ядер бора, углерода, азота и кислорода, а также электроны и множество других различных частиц. Весь этот меланж вещества и излучения был подобен океанам энергии, «кипящим» в ещё относительно небольшом объеме стремительно расширяющегося пространства. Отрицательно заряженные электроны и кванты излучения взаимодействовали с ядрами элементов, рассеивались, поглощались, не имея возможности вырваться на свободу, оторваться от вещества. Такое взаимодействие вещества и излучения (включая свет) обеспечивало непрозрачность пространства. Вселенная в состоянии плазмы напоминала густой туман. Наши космические гиды, положительно заряженные ядра: водорода (Гидрожен, Оксижен, Нитрожен), а также гелия-4 (Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум), как и все другие атомные ядра метались в этой массе вещества-энергии. Облако, в котором они были захвачены общим движением, представляло собой относительно плотное сгущение темного и обычного вещества, из которого в будущем образуется звездная галактика. Подобных протогалактических сгущений вещества-энергии в то время формировалось огромное множество.

Дальнейшее расширение и остывание Вселенной (до температуры 3000 °К) привело к значительному уменьшению плотности вещества. Приблизительно в период от 180 до 410 тысяч лет (ПБВ) в изменившихся условиях все частицы, включая электроны, уменьшили скорость супербыстрого хаотического движения. Ядра элементов получили возможность удерживать электроны около себя. Произошло одно из важнейших событий в эволюции природы – процесс объединения положительных атомных ядер и отрицательных электронов в первые, нейтрально заряженные атомы. Этот процесс – обратный ионизации, называют первичной рекомбинацией химических элементов. Он привел к переходу вещества из плазменного состояния, непрозрачного для электромагнитного излучения, в газообразное. Вселенная стала прозрачной, кванты света (фотоны) получили возможность свободно перемещаться в пространстве, почти не взаимодействуя с веществом. Вселенная, в которой прежде все электромагнитные излучения тотчас поглощались, стала прозрачной для света после рекомбинации. Свет этот, однако, представлял собой только отсветы прежнего горячего газа, испущенные им за мгновение перед рекомбинацией. Эти отсветы – фотоны, избежавшие рассеяния на заряженных частицах и разлетевшиеся во все стороны. Они в виде нейтральных элементарных частиц, преодолевая расширяющееся пространство, до сих пор пронизывают вселенское пространство, в том числе тела людей. Астрономы наблюдают в виде реликтового излучения (фона) те фотоны, которые были направлены в сторону расположения будущей Земли,

Процесс формирования атомных (электронных) оболочек начался с ядер лития, которым, однако, удалось при создавшихся температурных условиях присоединить только по 2 электрона, преобразовавшись в ионы лития (Li+). Для того чтобы стать нейтральными атомами им было необходимо присоединить еще по одному электрону. Продолжающееся остывание создало условия, при которых уже ядра гелия (альфа-частицы) захватили сначала по одному электрону, превратившись в ионизированные атомы гелия (He+), а затем и по второму, образуя нейтральные атомы гелия (He). Когда возраст Вселенной достиг около 200 тыс. лет, практически весь гелий стал атомарным. Через 170 тысяч лет после этого (370 тыс. лет ПБВ) настала очередь протонов (ядер протия) присоединять по одному электрону, превращаясь в атомы водорода. При температуре ниже 3000 кельвинов в основном завершился процесс приобретения протонами электронов, т. е. голых ядер протия (положительно заряженных протонов) осталось лишь 10 % от первоначального объема. К рубежу приблизительно 410 тыс. лет ПБВ голых протонов осталось только 1 %. Нейтральные атомы водорода и гелия больше не могли рассеивать остывшие фотоны, и они пустились в беспрепятственное путешествие по Вселенной. Эти реликтовые кванты, называемые фоновым микроволновым излучением, за прошедшие около 13,8 млрд. лет остыли до 2,725°К (-270,425°C).

Образование атомов первых химических элементов привело к возникновению космической химии – появлению первого химического соединения атомов в молекулу около 400 тыс. лет ПБВ. Таким соединением считается молекула иона гидрита гелия (соединение атома гелия и атома водорода, с одним удаленным электроном – HeH+). Ученые теоретически давно предсказывали этой молекуле данную роль, поскольку в тот период истории Вселенной водород и гелий были практически единственными атомами, созданными первичным нуклеосинтезом. Однако доказательств ее космического существования не было. И вот, в 2019 году астрофизики обнаружили ионизированные молекулы гидрида гелия, в одной из туманностей с помощью спектрального анализа вещества. Это открытие стало важным аргументов в пользу того, что приблизительно в период 400–450 тыс. лет ПБВ в процессе столкновений протона с атомом гелия возникали ионы гидрида гелия и испускались фотоны. Это ионное соединение, называемое так же, как гидрид гелия, считается первым сложным (двухатомным) веществом во Вселенной. Ученые (Рольф Гюстен и ряд других) полагают, что: "Вся химия во Вселенной начиналась именно с гидрида гелия". «Формирование молекулы гелий-гидрид ион имеет примерно такое же значение для эволюции химических процессов во Вселенной, какое имеет для жизни на Земле переход от одноклеточных форм к многоклеточным организмам»[5] (пояснение под соответствующим номером можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги). Конечно, далеко не все атомы гелия объединились с ядрами водорода в молекулу гидрида гелия.

Вслед за образованием гидрида гелия реализовались реакции с участием атомов водорода и протонов, которые привели к появлению молекулярного водорода. Такое объединение обеспечило стабильность водородного вещества, поскольку атом с одним электроном является нестабильным в условиях космоса. Гигантские облака молекулярного водорода являются основным исходным материалом для формирующихся звезд и галактик. Затем последовали реакции образования гидрида лития и других молекул. Эти химические соединения широко распространились в молодой Вселенной. По мере дальнейшего развития природы в пределах Вселенной вслед за первыми молекулами стали формироваться во все большем количестве и разнообразии более сложные соединения.

Наши космические гиды также преобразовались в нейтральные атомы. Чтобы стать нейтральными атомами водорода (протия), Гидрожену, Оксижену и Нитрожену достаточно было захватить на орбиту своего влияния по одному электрону. Ядра гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум для превращения в атомы гелия присоединили по два электрона. В этом виде они продолжили существовать до определенной поры, неся в себе потенциал встречи с другими элементами, чтобы образовать более сложные природные формы. Похоже, атомы обладали не только свойствами исходного материала для многообразных природных форм, но и каким-то встроенным механизмом обязательной реализации этих свойств.

Появление атомов и первых молекул явилось важным рубежом на пути эволюции природы к человечеству, поскольку тем самым открылись неограниченные возможности формирования всё более сложных природных форм на основе химических соединений. Если бы по каким-то причинам в нашей Вселенной не осуществились реакции синтеза сложных химических соединений, то не появились бы молекулы водорода (Н2), без которых не возникли бы первые звезды. В отсутствии этих звезд не синтезировались бы все химические элементы тяжелее гелия, без которых не появились бы звезды следующих поколений и планеты. Не было бы жизни и человека. Так, что начало химических процессов можно отнести к одному из необходимых событий, без которых не продолжилась бы эволюция природы по направлению к человечеству.

Вещество получило доминирующее положение над излучением. Гравитация, которая до этого не имела никакого влияния во Вселенной, приняла роль ведущей силы. Нейтральные атомы водорода и гелия явились исходным материалом для межзвездного газа и звездных систем.

Спустя 5 млн. лет ПБВ температура Вселенной упала до 600°К, поэтому реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону. В результате космос накрыла беспросветная темнота. Первыми светлыми точками, рассеивающими темноту, стали самые ранние звезды, которые зажглись приблизительно через 100–200 млн. лет после Большого взрыва. Процесс образования первых звезд (звездное население III с нулевой металичностью), в которых происходил синтез элементов тяжелее гелия (в астрофизике, эти элементы называются металлами), был запущен благодаря рекомбинации водорода и гелия, а также содержанию молекул иона гидрита гелия. Звезды населения III состояли в основном из первичного материала (водорода, гелия и гидрида гелия) и в значительной части, были очень массивными, что способствовало быстрому использованию водорода на синтез гелия. Поэтому они уже давно прекратили свое существование. За относительно короткое время своего ядерного горения они успели синтезировать комплект химических элементов вплоть до железа. После прекращения ядерных реакций эти звезды взрывались в форме сверхновых звезд, что приводило к разбрасыванию по Вселенной всех произведенных элементов. Первые массивные звезды преобразовались в самые ранние, суперплотные объекты гравитационного происхождения – черные дыры и квазары. На следующем этапе эволюции вещество Вселенной начало концентрироваться в ранних формах галактик и газопылевых туманностей.

Следующее, второе поколение звезд (население II) сформировалось из газопылевого материала звезд первого поколения. Эти звезды имели уже более высокое содержание тяжелых элементов, чем у своих предшественников, но их металичностью оставалась еще малой. Среди звезд второго поколения сформировались как маломассивные, так и очень крупные объекты. Самые массивные звезды второго поколения прошли весь свой эволюционный путь, создав очередные порции тяжелых элементов и разбросав их в межзвездной среде. Это обеспечило условия для появления звезд третьего поколения (населения I), включая Солнце, которые в своем составе содержат максимальное на сегодня количество металлов.

Те звезды, которые имеют малую массу, обеспечивали условия для медленного темпа термоядерных реакций и, соответственно, для длительного их существования. Они излучают энергию до сих пор во многих галактиках, включая нашу. Например, новые наблюдения астрономов выявили в нашей Галактике одну из первых звезд во Вселенной, существующую до сих пор, несмотря на возраст около 13,5 млрд. лет. Масса этой звезды – небольшая, немного превосходящая необходимую для начала ядерной реакции синтеза гелия. Открытие этой звезды в Галактике свидетельствует о появлении первых звезд не позже 300 млн. лет ПБВ, а также о возникновении нашей Галактики Млечный путь около 13,5 млрд. лет. Атомы гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум и атомы водорода – Гидрожен, Нитрожен и Оксижен не участвовали в начале формирования Млечного пути, поскольку в течение около 1,8 млрд. лет (от ~ 13,51 млрд. л.н. до 11,7 млрд. л.н.) находились на значительном удалении – в межзвездном пространстве.

Наши космические гиды за этот продолжительный период межзвездного путешествия стали свидетелями эволюции состава, объектов и структуры Вселенной. Химические элементы, известные нам по таблице «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева», представляют обычное, видимое вещество, доля которого около 4 % от всей материи Вселенной. Видимым оно называется потому, что объекты из этого вещества человек может видеть непосредственно (видимый диапазон электромагнитного излучения) или наблюдать с помощью специальных приборов (различных антенн, телескопов). Обычное вещество во Вселенной находится в основном в трех видах: 1- плазмы, состоящей из ионизированных атомов с различной плотностью и температурой; в таком состоянии пребывают звезды с их оболочками, некоторые оболочки планет, газовые туманности, космические лучи – потоки элементарных частиц, в первую очередь, электронов и протонов разных энергий. Кроме того, в космических лучах выявлены также атомные ядра с низкой массой (гелий, углерод и кислород) и более тяжелые ядра (неон, магний и кремний); 2- разнообразных химических соединений в твердом, жидком или газообразном состоянии при сравнительно низкой температуре; химические соединения слагают планеты, астероиды, метеориты, кометы, пылевые туманности; 3- сверхплотного вещества, находящегося в белых карликах, нейтронных звездах, а также в таких космических объектах, как: ядра планет, черные дыры, образованные за счёт гравитационного коллапса (сжатия, схлопывания) крупной звезды или в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Доподлинно не известно, что происходит со структурой атомов в таком веществе. В последнее время предложена гипотеза, согласно которой вещество в таких объектах «раздавлено» до кварков – составных частиц атомных ядер. Кварки в этом состоянии распределены по отдельным капелькам, которые получили название «страпельки». Каждая страпелька содержит по три кварка разного сорта («верхние», «нижние» и «странные»), что отличает ее от обычного протона или нейтрона, которые состоят из трех кварков двух сортов («верхние», «нижние»).

Состояние вещества, так же, как и его химический состав, тесно связаны с процессом эволюции звезд, планет и других космических тел во Вселенной. Основная масса обычного, барионного вещества сосредоточена в межзвездном газе и пыле (3,6 % массы Вселенной). На звезды и прочие концентрированные формы видимого вещества, включая земную жизнь, приходится только 0,4 %.

Современные модели Вселенной исходят из того, что главными её компонентами являются темная энергия (энергия вакуума) 74 % (по другой версии 73 %) и темное вещество 22 % (23 %). Темное вещество – холодное, возможно представлено гипотетическими, слабовзаимодействующими массивными частицами – вимпами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP) или легкими слабовзаимодействующими частицами – виспами (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Физики предлагают на эту роль стабильную незаряженную частицу – аксион.

Дополнительно к этим представлениям, недавно появились сведения о разработке новой гипотезы, которая предполагает, что темное вещество и темная энергия существуют в некоем единстве. Это вещество-энергия, возможно, представляет собой жидкость с отрицательной массой. Новые представления хорошо объясняют известные проявления этой особой формы существования материи, которую называют тёмной потому, что она практически не взаимодействует с обычным веществом, включая свет. Потому трудно поддается изучению. О существовании темного вещества-энергии свидетельствуют только эффекты их гравитационного влияния на видимые объекты. Понятия «темная энергия и темное вещество» придуманы учеными для того, чтобы объяснить наблюдаемое образование, распределение, а также эволюцию галактик и их скоплений. По современным представлениям галактики являются сгустками темного вещества, звезд и обогащенного металлами газа. Стабильность галактики обеспечена тем, что относительно маломассивные объекты из обычного вещества погружены в огромное облако, гало темного вещества с огромной суммарной массой. При такой структуре галактика представляет собой довольно стабильную природную форму, в которой звезды и галактический газ находятся в равновесии.

Большинство специалистов полагает, что вся масса темного вещества образовалась на одной из первых, горячих стадий зарождения Вселенной одновременно с появлением плазмы из электронов, барионов (кварков, протонов, нейтронов и др.) и фотонов. Взаимодействие компонентов плазмы приводило к формированию других частиц. Расширение Вселенной и охлаждение плазмы прекратило генерацию новых частиц и привело к слиянию частиц в атомы. Темные частицы в самом начале распределились неравномерно. Первые неоднородности темного вещества постепенно комковались в протогалактические скопления. Эти невидимые гигантские объекты своей мощной гравитацией стягивали на себя атомы водорода и гелия, а также все частицы, обладающие массой. Атомы обычного вещества вместе с темным веществом образовали огромные космические структуры – галактики, в которых зажигались первые звезды. Между галактиками простирается обширнейшее межгалактическое пространство. Межгалактическая среда является, практически, абсолютным вакуумом. Но в то же время она включает весьма разреженный газ и пыль (плотностью около 1 атома на 1 м3), космические лучи, нейтрино, кванты электромагнитного излучения (главным образом, реликтового) и другие виды материи. Межгалактический газ вдали от галактик представлен главным образом ионизированным водородом. Возникает вопрос, что явилось причиной его ионизации, ведь во время первичной рекомбинации все химические элементы стали нейтральными атомами? Специалисты объясняют ионизацию межгалактических элементов воздействием излучений первых квазаров и молодых галактик в эпоху их образования. Поскольку плотность газа и пыли здесь – очень низкая, то они еще не успели рекомбинировать и остались в значительной части ионизированными. Только в окрестностях галактик и их скоплений существуют облака нейтрального водорода. Температура между галактиками оценивается в 2,73°К (-270,42° C). Участками межгалактическое вещество прогревается до десятков миллионов градусов мощными потоками энергии от сверхмассивных черных дыр, а также разлетающимися оболочками от сверхновых звезд и другими факторами. Значительная часть межгалактического газа была выброшена из галактик. В нем выявлены кроме водорода, также атомы гелия, углерода, азота, кислорода, серы, различных металлов. Межгалактический газ и пыль могут концентрироваться в облака. Галактики связаны между собой разреженной плазмой, имеющей волокнистую структуру, плотностью выше средней плотности Вселенной. Галактики, их группы, скопления и сверхскопления, как и межгалактическое пространство, погружены в темную энергию расширяющейся Вселенной. Вселенная расширяется с ускорением благодаря темной энергии. Галактики в скоплениях гравитационно связаны, поэтому пространство между ними не расширяется.

Вещество в галактиках распределилось на множество газовых облаков. Сжатие вещества в каждом газовом облаке привело к образованию гигантских, вращающихся, преимущественно водородных шаров. Давление внешних слоев шара привело к возникновению в его недрах огромных давлений и температур, при которых начались термоядерные реакции, запустившие звездный нуклеосинтез. Синтез тяжелых элементов сопровождается выделением огромной энергии. Начало излучения этой энергии в космос означает рождение звезды, которая будет полыхать энергией до тех пор, когда в её недрах закончится исходное топливо для синтеза тяжелых элементов.

Звезды подобно ядерным топкам или химическим фабрикам синтезировали из первоначальных, самых легких химических элементов (водорода и гелия) более тяжелые атомы, высвобождая в качестве побочного продукта невообразимо большую энергию, которая поддерживала ядерное горение звезды и мощно излучалась в космическое пространство. Это излучение позволяет нам видеть далекие звезды и их скопления. Состав первых и современных звёзд представлен в основном водородом – самым легким химическим элементом, который является самым распространённым элементом во Вселенной. Несмотря на близость состава звезд, все они весьма разнообразны по другим своим характеристикам. Природа обладает фантастической многовариантностью, неповторимостью каждой формы своего существования. Среди миллиардов звезд не найдено двух подобных. Разнообразие типов звёзд и соответственно реакций звёздного нуклеосинтеза приводит к тому, что каждая звезда содержит разный набор химических элементов и/или особое соотношение их. Любая звезда возникнув, синтезирует в своих недрах, прежде всего ядра гелия из водорода. Относительно некрупные, солнцеподобные звезды способны формировать только гелий и углерод. В отличие от них, в недрах звезд-гигантов достигаются такие высокие температуры, при которых после образования гелия и углерода синтезируются ядра более тяжелых элементов вплоть до алюминия и кремния. При температуре выше 30 млрд. °К в реакцию вступают ядра ещё тяжелее, начиная с кремния. В этих условиях синтезируются стабильные элементы вплоть до железа. Постепенно в звезде формируются слои из различных элементов. Ядерный синтез происходит с ускорением до фазы генезиса железа. Всё железо синтезируется уже в течение нескольких часов. Для синтеза более тяжелых элементов температурные и барические условия даже в гигантских звездах оказываются недостаточно жёсткими. Атомы железа не продолжают ядерный синтез. Железо концентрируется в центральной части такой звезды. Затухание ядерных реакций означает прекращение восходящего потока энергии из ядра звезды, противодействующего сжатию звезды. Силы, расширяющие звезду изнутри, становятся меньше сил гравитации, стремящихся сжать звезду. Огромная масса всех оболочек звезды под воздействием гравитации катастрофически быстро обрушивается к её центру. Звезда с увеличивающейся скоростью сжимается. Огромное значение плотности вызывает толчок (отдачу) для взрыва неимоверной силы, называемого вспышкой сверхновой звезды. Этот взрыв избавляет исходную звезду от избыточной массы. Вещество оболочек звезды выбрасывается в космическое пространство.

Зависимость образования звездных химических элементов от массы звезды и характера её эволюции характеризуется следующим образом. Звезды малой массы (менее 1,4 солнечной) после расхода всего топлива на ядерные реакции расширяются, излучают красный свет и постепенно сбрасывают в окружающий космос свои оболочки. На этом этапе эволюции они существуют в форме красных гигантов. Оставшиеся ядра (около 50 % первоначального объема звезды) сжимаются, нагреваются и освещают ультрафиолетом выброшенные газы. В этом виде они являются белыми карликами размером с Землю. В нашей Галактике обнаружено около 400 тыс. белых карликов.