Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

Более массивные звезды в конце своей жизни сбрасывают свои оболочки не постепенно, а мгновенно, в виде взрыва большей части своего вещества. Этот взрыв называют сверхновой звездой. Чем больше масса звезды, тем сильнее процессы сжатия происходят в оставшейся после взрыва ядерной части звезды. Взрывы сверхновых звезд порождают разнообразные космические объекты. Во-первых, если масса исходной звезды соответствует от 1,4 до около 2,5 массы Солнца, тогда происходит уплотнение первичного солнечной вещество от диаметра приблизительно двух Солнц до около 10–20 км. В этих звездах под твердой оболочкой, пяти километровой толщины, располагается неизведанное вещество, плотностью превышающей плотность ядра атома. Такие объекты являются компактными нейтронными (кварковыми) звездами – пульсарами. Вокруг нейтронной звезды распространяется газ. В Галактике известно более 2 тысяч таких звезд. Следующим типом космического тела становятся звезды с солнечными массами от 2,5 до 3,5 солнечной. Остатки таких звезд подвергаются еще большему сжатию исходных химических элементов, до диаметра около 3 км. В результате возникают космические объекты, называемые «черная дыра». Черная дыра – относительно небольшой темный объект, обладающий настолько гигантским притяжением (массой гравитации), что свет из неё не может вырваться наружу. Она окружена сферой – горизонтом, из-за которого не проникает наружу никакое излучение. Рождение таких черных дыр сопровождается выбросом газовых туманностей. В том случае, если случается сверхновый взрыв очень массивной звезды (солнечной массой от 3,5 до около 4,5), тогда происходит прямой коллапс (сжатие) вещества, рождающий массивную черную дыру без всякого газа. Четвертым вариантом завершения первичной жизни звезды становится взрыв гипероновой (сверхмассивной) звезды, в результате которого в космосе остается только газ.

Ряд исследователей обоснованно утверждают, что весьма массивные звезды в конце своего звездного существования превращаются в «геоды» (GEODE, Generic Objects of Dark Energy), которые похожи на черные дыры, однако вместо сингулярности они содержат темную энергию. Геоды могут сталкиваться и увеличиваться. Существующая скорость расширения Вселенной может быть объяснена темной энергией таких геодов. К гипотетической темной энергии относится около 74 % массы Вселенной. Эта энергия является источником ускоренного расширения космического пространства.

При взрыве сверхновой звезды резко возникает огромное давление, которое приводит к тому, что в ядерных реакциях мгновенно образуется огромное количество нейтронов. Их поток так плотен, что даже самые короткоживущие новообразованные радиоактивные ядра не успевают распасться до того, как в них вбиваются все новые и новые нейтроны. Нейтроны в ядрах превращаются в протоны, тем самым создавая новые, более тяжелые элементы. Этот процесс синтеза ядер отличается от предшествующего и называется r-процессом. Совсем недавно считалось, что взрыв сверхновых образовал все более тяжелые атомные ядра середины и конца Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Однако в последнее время наблюдения показали, что слияние двух нейтронных звезд сопровождается взрывом, названным килоновой звездой. В процессе такого взрыва протекает r-процесс, создающий самые тяжелые элементы. По результатам этих исследований ученые пришли к выводу, что именно килоновые звезды являются основным источником наиболее тяжелых элементов во Вселенной.

Взрыв сверхновой или килоновой звезды срывает внешнюю оболочку вместе с накопившимися в ней химическими элементами, результатами деятельности нуклеосинтеза. Эти продукты эволюции звезды разлетаются вокруг, образуя огромное облако газа и пыли, а также обогащая ближайшие газопылевые скопления. Такие скопления газа и пыли являются родиной звезд следующих поколений. На протяжении существования Вселенной миллиарды сверхновых и килоновых звезд заполняли космическое пространство всеми самыми тяжелыми химическими элементами, вплоть до 94-ого элемента – плутония. Звезды последующих поколений, с самого начала содержат в своем составе, как и в окружающем их газопылевом облаке, примесь тяжелых элементов, образованных звездами-предками. Каждая космическая туманность (совокупность огромных облаков межзвездного газа и пыли), подвергаясь воздействию взрывов последующих поколений звезд, всё больше обогащалась тяжелыми элементами, в частности железом. Новая туманность отличалась от предыдущей (более древней), меньшей долей водорода, но большей железа. Например, Солнце – звезда третьего поколения состоит не только из водорода и гелия, но в малых количествах из множества тяжелых элементов вплоть до марганца и других. Люди заметили, что через каждые 100–200 лет на ночном небосводе внезапно вспыхивали яркие звезды – сверхновые, сияние которых быстро ослабевало. Так что, процесс производства тяжелых элементов в обозримой части Вселенной продолжается.

Вновь образованные химические элементы по мере уменьшения температуры газопылевого облака соединялись во множество молекул. После появления звезд одними из ранних соединений были вода (H2O), аммиак (NH3), метан (CH4), монооксид углерода (CO), диоксид углерода – углекислый газ (CO2). Продолжавшееся снижение температуры и повышение концентрации химических элементов делало возможным соединение тяжелых химических элементов в микроскопические твердые кристаллы. Первыми «звездными» минералами-пылинками во Вселенной, вероятно, были крошечные кристаллы чистого углерода в форме алмаза и графита. Вслед за ними возникли соединения из магния, кальция, азота, алюминия и кислорода: корунд (алюминий плюс кислород, яркие цветные образцы которого люди считают драгоценными камнями: рубинами и сапфирами) и более десятка других известных нам полезных ископаемых. Эти химические соединения в форме космического газа и пыли со временем становились составной частью планет и живых организмов.

Многие миллиарды сверхновых звезд синтезировали значительные объемы очень тяжелых химических элементов, однако доля этих элементов относительно огромнейшего объёма водорода во Вселенной остаётся ничтожно малой. Современный химический состав Вселенной очень мало изменился от начального и на 74 % представлен водородом. Гелия содержится 24 %, кислорода 1 %, углерода 0,5 %, все остальные химические элементы в сумме составляют лишь 0,5 %. Несмотря на малую долю кислорода, углерода и более тяжелых элементов, без них не было бы Земли, воздуха и человеческих тел. По словам кембриджского астрофизика Мартина Риса: «Мы – звездная пыль, пепел давно умерших звезд».

1.4. Галактическая (Млечная) развилка эволюции природы на пути к человеку. Около 13,5 миллиардов лет назад

Галактическая развилка эволюции природы на пути к человеку случилась приблизительно через 300 млн. лет после Большого взрыва, когда около 13,5 млрд. л.н. вспыхнули первые звезды нашей Галактики. Этот возраст уточнен по данным о возрасте недавно обнаруженной в Галактике малой звезды, о которой упоминалось выше.

Млечный путь изначально отличался большей массой относительно соседних скоплений звезд, поэтому постепенно их поглотил. Начав свое формирование с относительно небольшого диска, наша Галактика все время расширяется в направлении от центра. Значительное наращивание Галактики произошло приблизительно к рубежу около 10 миллиардов л.н., когда она поглотил около 50 близлежащих карликовых галактик и огромную массу межгалактического газа, представленного главным образом водородом. К этому времени наше звездное скопление набрало объем около 1,5 триллиона масс Солнца и достигло достаточно крупных размеров: диаметр 100 000 световых лет при толщине в несколько тысяч (один световой год равен почти 10 триллионам километров). Мчащаяся в пространстве она преобразовалась в одну из рядовых, быстро вращающихся спиральных галактик с двумя рукавами.

Для начального периода эволюции нашей Галактики, как и других, еще достаточно молодых галактик, была характерна мощная активность формирования сверхновых звезд. Взрывы этих многочисленных звезд поставляли в галактики тяжелые элементы, служившие материалом для звезд следующего поколения. Потребовались еще более четырех миллиардов лет для того, чтобы накопился необходимый набор тяжелых химических элементов, достаточный для формирования Солнечной системы с планетой Земля, в которой зародилась и развилась жизнь.

Появление во Вселенной огромного числа галактик позволило природе эволюционировать по множеству направлений. Каждое из этих направлений брало начало от соответствующей развилки эволюции природы. Появление человека разумного в галактике Млечный путь свидетельствует о том, что поворот эволюции природы на той Галактической развилке, от которой началась формирование нашей Галактики, оказалось успешным для нас. Антропный маршрут продолжился в этой Галактике потому, что её ранее образование после Большого взрыва обеспечило необходимо длительное время для формирования Солнечной системы, для появления в ней Земли и для продолжительной эволюции этой планеты до состояния, обеспечивающего зарождение жизни и её развитие до разумных людей. Мы не знаем о достижениях природы по созданию разумных существ в других галактиках. Тем не менее, можем предположить, что в молодых галактиках не успели возникнуть благоприятные условия для появления разума. Конечно, галактическая развилка является только необходимым, но далеко не достаточным событием для формирования сознательных существ.

Важным моментом эволюции Млечного пути явилась наибольшая концентрация вещества в её центральной части под воздействием гравитационных процессов. Здесь вспыхнуло много гигантских звезд, которые очень скоро, за несколько миллионов лет, израсходовали на термоядерные реакции весь свой водород и взорвались сверхновыми звездами. На их месте остались нейтронные звезды, черные дыры и газопылевые туманности из химических элементов тяжелее водорода. Наиболее крупная из черных дыр поглотила ближайшие нейтронные звезды и относительно небольшие черные дыры, а также окружающие газопылевые скопления. При слиянии этих объектов образовалась сверхмассивная черная дыра – Стрелец А, масса которой эквивалентна четырём миллионам масс Солнца. Такая значительная масса обеспечивает её мощнейшей силой притяжения. Вокруг этого центра тяготения вращаются все звездные системы Млечного пути. За время своего существования Млечный путь сформировал приблизительно 200 миллиардов звезд и созвездий, более тысяч обширнейших газовых облаков, скоплений и туманностей. Интересно, что обычное вещество, представленное всеми перечисленными звездами и прочими газово-пылевыми образованиями, плюс массивнейшая черная дыра в центре нашей Галактики, составляет только несколько процентов от общей массы. Преобладающая доля массы Млечного Пути сосредоточена в темном веществе и темной энергии.

Млечный путь вращается вокруг своей оси, проходящей через сверхмассивную черную дыру, перемещаясь при этом во Вселенной со скоростью 600 км в секунду. В этом сонме беспрестанно движущихся звезд мчится наша Солнечная система на скорости 230 км в секунду. Земля добавляет в эту сложную иерархическую карусель перемещения разноуровневых объектов свой путь вокруг Солнца с темпом 30 км в секунду.

Так уж случилось, что наши гиды-путешественники: Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум, Гидрожен, Нитрожен и Оксижен не участвовали в начале формирования Млечного пути, поскольку находились на значительном удалении. До встречи с Млечным путем они путешествовали в межзвездном пространстве и были свидетелями того, как Вселенная катастрофически быстро разрасталась и усложнялась, рождая новые виды и формы вещества: повсюду зажигались многочисленные звезды, многие из которых через несколько миллионов лет, сгорая, становились сырьем для новых звезд. Обычное вещество под гравитационным воздействием темного вещества собиралось в галактики. Крупные галактики становились центрами галактических скоплений. Всё вещество распределилось в виде вселенской сети, погруженной в вездесущую темную энергию. Наши странники пока избежали испытания звездным пеклом. Плотность вещества в их среде обитания была настолько низкой, что частицы, способные изменить их судьбу, проносились мимо на большом расстоянии. Гидрожен, Оксижен и Нитрожен продолжали оставаться водородом, а Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум – гелием.

Судьба преподнесла им немало испытаний. Так, на период с 11,7 до 11,3 миллиарда л.н. пришлась активизация мощных источников ультрафиолетового излучения во Вселенной, в роли которых выступали квазары – активные сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактик. Квазары повысили температуру межзвёздного водорода и гелия от 10 до 22 тысяч °C. Это стало причиной реионизации водорода и гелия (повторного образования ядер из атомов), т. е. потери электронов у всех атомов. В результате Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум преобразовались из атомов в ядра гелия, а Гидрожен, Нитрожен и Оксижен – в ядра водорода. Такое состояние вещества затруднило сжатие (коллапс) межгалактического газа, что прервало формирование малых галактик приблизительно на 500 миллионов лет и значительно замедлило формирование новых поколений звёзд. Малые галактики «рассыпались», оказались не способными удержать ранее собранный ими газ, и тот улетучился вновь в межгалактическое пространство. Так и наши гиды, побывав какое-то время в составе небольшой галактики, продолжили путешествовать в виде ядер химических элементов в составе межгалактического газа. Последующее остывание межзвездной среды привело к новому преобразованию ядер в атомы, и процесс формирования малых галактик возобновился. Ядра гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум преобразовались снова в атомы. В этом состоянии они вместе с атомами водорода – Гидроженом, Нитроженом и Оксиженом оказались в том газопылевом облаке, из которого сформировалась карликовая галактика Кракен (Kraken- с англ. «морское чудовище»). Около 11 млрд л.н. Млечный путь захватил эту галактику, разорвал её в клочья и включил в свою структуру её звезды и межзвездное вещество.

Таким образом, Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум в составе галактики Кракен прибыли в Млечный путь. Попав в нашу Галактику, братья – водородики очутились в новых, весьма динамично меняющихся космических условиях. В этом гигантском, вращающемся газопылевом диске они путешествовали около 5,3 млрд. лет. Наверное, так и продолжали бы существовать гиды-водороды в прежней форме в межзвездной среде, если бы карликовая галактика Стрелец не пересекла диск нашей Галактики около 5,7 миллиардов л.н. Внедрение этого звездного скопления в диск Млечного пути произошло в удаленной части одного из рукавов Галактики, относительно не далеко от того места, где ныне существует Солнечная система. Скорее всего, гравитационное воздействие карликовой галактики на газопылевое облако стало причиной запуска механизма формирования массивной звезды. Эта протозвезда вобрала в себя окружавшие её газ и космическую пыль. Братья—водородики оказались вовлеченными в поток вращение вещества вокруг звезды. Новое положение стало судьбоносным для наших гидов. Эта звезда-гигант, которую назовём «Матернитэ» (Родительница), первоначально состояла почти целиком из водорода, гелия было совсем немного, не говоря уже о других элементах. В результате уплотнения вещества в недрах звезды создалось огромное давление и гигантские температуры, что «зажгло» термоядерные реакции преобразования водорода в гелий. Когда был израсходован весь водород, реализовались процессы непосредственного образование из ядер гелия ядер углерода и кислорода. Вслед за ними термоядерные реакции в Матернитэ последовательно синтезировали все химические элементы до железа включительно. Конечно, среди них были интересующие нас азот, фосфор, железо. Таким образом, Карбовеж и Карбомал приобрели форму углерода (С). Вернее сказать, Карбовеж и Карбомал заняли свои места в ядрах шестипротонных атомов углерода. Мы условно считаем, что они превратились в углерод. На самом деле, они были использованы для построения сложных ядер химических элементов в качестве единичных протонов. Оксижен стал кислородом (O), точнее говоря, вошел в состав атома кислорода, т. е. занял свое место среди восьми протонов в ядре. Нитрожен из водорода «превратился» в азот, т. е. внедрился в семипротонное ядро атома азота (N), соединившись с шестью другими подобными водородами-протонами. Флюор внедрился в ядро 15-ти протонного атома фосфора (P). Ферум «стал» железом, самым тяжелым элементом среди своих братьев – космических гидов. Он вошел в ядро 26-ти протонного атома железа (Fe). Только Гидрожен остался, как и прежде, водородом, поскольку пребывал в верхней оболочке звезды, где пониженная температура сберегла его от термоядерной реакции.

К рубежу 5,6 млрд. л.н. завершился синтез тяжелых элементов в звезде Матернитэ, и наши гиды приобрели форму тех элементов, в составе которых находятся до настоящего времени. Прекращение термоядерной реакции означало конец противодействию гравитации, произошел гравитационный коллапс и последующий ядерный взрыв звезды в качестве сверхновой. Почти мгновенно выделилась гигантская энергия, вызвавшая синтез стабильных и радиоактивных элементов тяжелее железа. Все созданные элементы с огромной скоростью были выброшены на гигантские расстояния. Сброс внешних слоев Матернитэ дополнил гигантскую молекулярную Дозвездную туманность новой порцией элементов. Эта туманность стала обладателем полного комплекта химических элементов, среди которых были Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Ферум и Флюор. Преобладающим продуктом в оболочках звезды Матернитэ были углерод и кислород. Важно, что эта сверхновая обогатила Дозвездную туманность именно кислородом, который очень активно соединяет большинство элементов. Если бы не было кислорода, не возникло бы большинство известных минералов и не образовались бы все живые организмы, по крайней мере, на Земле. Особо следует отметить появление в рассматриваемой части Галактики ядер фосфора, среди которых был и Флюор. Этот элемент является редким гостем во Вселенной, но весьма необходимым для белковых форм жизни. Не случись в окрестностях будущей Солнечной системы в подходящий момент взрыва сверхновой звезды, не было бы нашей звёздной системы, и не возникла бы Земля с известными нам формами жизни.

Постепенно вещество Дозвездной туманности начало остывать и распределилось по нескольким газопылевым облакам. Положение одного из облаков пришлось на ту часть Галактики, где возникнет Солнечная система. Это протосолнечное облако c остывшим веществом стало исходным материалом для нашей звезды и планетной системы. По мере охлаждения облака возникли благоприятные условия для создания сложных химических веществ. Ещё до формирования Солнца состав газопылевого облака был довольно разнообразным. Конечно, главным компонентом были молекулы водорода (H2). Кроме молекул водорода, а также атомов и ионов различных элементов присутствовали первые простейшие молекулы водорода с углеродом и азотом, а также наиболее стабильная форма углерода – окись углерода (угарный газ – СО). В благоприятных условиях протопланетного облака происходило соединение атомов в удивительный набор молекул. Сформировались вода (Н2О), метан (простейший углеводородный газ – СН4) и углекислый газ (СО2). Также появился дейтерий, который является стабильным изотопом водорода, необходимым для синтеза более тяжелых элементов. Возник аммиак (нашатырь), представляющий собой газообразное соединение азота и водорода – NH3. В протопланетном облаке присутствовали молекулы спирта, органические кислоты (муравьиная и синильная), возможно белки и некоторые другие соединения.

При этом окись углерода, углекислый газ, метан и вода, т. е. соединения углерода с кислородом и водородом, а также водорода с кислородом оказались наиболее устойчивыми в очень разреженном космическом пространстве. Здесь же существовали рожденные в атмосфере звезд твердые пылинки из графита, тугоплавких соединений кремния, железа и прочих кислородсодержащих минералов. Присутствовали также, образованные в процессе взрыва, мелкие кристаллики алмазов. Твердые пылинки обзаводились оболочками из атомарного и молекулярного водорода, углерода, азота, кислорода. Пылинки в протопланетном облаке представляли собой совокупность тяжелых кристаллов и льда. Эти вещества формируются при значительном остывании протопланетного облака – до температур ниже 150°К. В таком, довольно холодном протопланетном облаке химические соединения существуют в трех формах. Во-первых, в виде газов представлены такие наиболее летучие компоненты, как водород, гелий, сероводород. В форме ледяных кристаллов выглядели вещества средней летучести – вода, метан и некоторые другие. В тяжелых кристаллах сконцентрировались нелетучие вещества – щелочи, нерастворимые основания. До этого температурного раздела, когда космическое пространство было более прогретым (более 150°К), химические вещества существовали в форме ледово-газового конденсата (например, в ледовой фазе – метан, вода, а в газовой фазе – водород, гелий).

Важнейшая роль Галактической развилки заключалась в том, что она создала предпосылки для накопления в определенном месте и в нужное время такого газопылевого облака, из которого возникла Солнечная система, включавшая звезду оптимального объёма и Землю, благоприятную для зарождения жизни и появления человека. Судя по современным сведениям о химических соединениях в Галактике, в протосолнечном облаке присутствовало около 200 основных видов молекул и плюс несколько сотен их изомеров[6]. Представлены они как простыми молекулами из 2-х атомов (например, самый распространенный во Вселенной – молекулярный водород – H2) или из 3-х атомов (вода – H2O, которой много в космосе), так и сложными – из разного количества атомов, вплоть до 13-ти атомов.

Протосолнечное газопылевое облако, вращаясь и сжимаясь, приобретало линзовидную форму и, наконец, преобразовалось в диск будущей Солнечной системы. Все братья-водороды оказались в относительной близости друг от друга в этом протосолнечном диске. Здесь им предстояло сменить форму своего состояния, войдя в состав более сложных молекул и минеральных агрегатов.

1.5. Солнечная развилка эволюции Галактики. 4,571 миллиардов лет назад

В нашей Галактике эпоха формирования Солнечной системы совпала со временем образования многих других звездно-планетных систем. Таким образом, природа реализовала многовариантность эволюции галактических форм движения материи. Возможно, в какой-то из звездных систем возникли планеты с благоприятными условиями для появления живых организмов. Но в рамках нашего обзора мы рассматриваем только тот маршрут эволюции природы, который привел к появлению человечества. Почему человеческая траектория эволюции прошла через Солнечную систему? Сравнение Солнечной системы с множеством выявленных планетных систем свидетельствует о том, что наш звездный дом во многом нетипичен. Так, образование Солнца и планет осуществилось на обочине Галактики, в зоне её обитаемости, где существуют необходимые условия для появления жизни и безопасного эволюционного усложнения живых организмов. В Млечном пути зона обитаемости простирается в форме кольца вокруг галактического центра. Внутренняя граница зоны отстоит от ядра Галактики на расстоянии 12 000 световых лет, а внешняя – 32 000 световых лет. Галактическая зона обитаемости характеризуется, прежде всего, такими факторами, как: значительная удаленность от ядра галактики; пониженное губительное излучение из центральной области галактики; относительно большие расстояния между звездами; малая частота катастрофических взрывов сверхновых звезд; высокое содержание тяжелых элементов, обеспечивающее формирование землеподобных планет и др.

Благоприятным оказалось не только место создания, но и время формирования нашей планетной системы – когда здесь было сконцентрировано достаточное количество тяжелых элементов для образования планет земного типа. В протосолнечном облаке содержание тяжелых химических элементов (например, на Солнце – 0,044 %), значительно превышало долю таких элементов не только в Млечном пути, но – в обозримой Вселенной (0,011 %). Такой состав вещества оказался очень удачным для человечества. Удачным космическим фактором для появления человечества стало возникновение водородной стены, которая отделяет Солнечную систему от окружающего межзвездного пространства (вещества). Эта стена находится на границе, где скорость солнечного ветра (частиц, преимущественно гелия) снижается до нуля. На этой границе частицы нашей звезды взаимодействуют с межзвездным водородом. В результате здесь возникает горячая плазма с температурой 30–50 тысяч градусов Цельсия. Эта плазменная стена предохраняет Солнечную систему от губительного влияния космического излучения. Не будь этой своеобразной оболочки вокруг нашей системы, все живое погибло бы на Земле.