Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Итак, откуда же берутся все остальные более тяжелые элементы, от двадцать седьмого (кобальта) до девяносто второго (урана)? Как ни странно, указывают авторы В2FH, они возникают при «маленьких больших взрывах». Массивнейшие из звезд (примерно в двенадцать раз тяжелее Солнца), спалив весь свой магний и кремний, очень быстро выгорают до железного ядра. Этот процесс занимает всего лишь около одного земного дня. Но прежде, чем погибнуть, звезда корчится в апокалипсической агонии. Когда у звезды не остается никакой энергии, которая позволила бы ей поддерживать собственный объем (его сравнительно легко поддерживать раскаленному газу), выгоревшая звезда схлопывается под действием собственной невероятной тяжести, всего за несколько секунд сокращаясь до считаных сотен километров. В ядре этой звезды протоны и электроны слипаются вместе, образуя нейтроны, пока там не остается практически ничего, кроме нейтронов. Затем, преодолев этот коллапс, звезда взрывается, разбрасывая материю во все стороны. Это не метафора. Возникает ослепительная сверхновая звезда, существующая примерно в течение месяца. Она простирается на миллионы километров и сияет ярче миллиардов звезд. И за этот месяц мириады частиц, обладающие непостижимыми импульсами, сливаются столько раз в секунду, что быстро преодолевают обычные энергетические барьеры и начинают образовывать элементы тяжелее железа. Многочисленные железные ядра покрываются толстым слоем нейтронов. Некоторые нейтроны вновь распадаются, превращаясь в протоны, так и образуются новые элементы. В этом рое частиц рождаются все существующие в природе комбинации элементов и изотопов, изрыгаемые в пространство.

Только в нашей Галактике сотни миллионов сверхновых прошли такой цикл от реинкарнации до катастрофической гибели. В ходе одного из таких взрывов зародилась наша Солнечная система. Примерно 4,6 миллиарда лет назад сверхновая пронизала сверхзвуковым энергетическим всплеском плоское облако космической пыли шириной около 15 миллиардов километров. Раньше на месте этого облака существовало не менее двух других звезд. Частички пыли стали сцепляться с атомной пеной, прилетевшей от сверхновой, и все облако забурлило маленькими смерчами и вихрями, как гладь огромного пруда, в который швырнули множество камешков. Плотный центр облака стал закипать и превратился в Солнце (которое буквально выросло из останков других звезд), а вокруг него начали накапливаться более мелкие тела, ставшие планетами. Самые крупные планеты нашей системы, газовые гиганты, сформировались на том этапе, когда солнечный ветер – поток заряженных частиц, идущих от Солнца, – выдул легкие элементы на периферию системы. Среди всех гигантов наиболее богат газами Юпитер, который по разным причинам стал фантастическим заповедником элементов. На Юпитере некоторые из них могут существовать в формах, невозможных на Земле.

С античных времен человеческий разум занимали фантазии о блестящей Венере, кольценосном Сатурне, Марсе, населенном инопланетянами. Именно в честь небесных тел были названы и некоторые элементы. Планета Уран была открыта в 1781 году. Этот факт так воодушевил научное сообщество, что уже в 1789 году в ее честь был назван уран-металл, несмотря на то что на той планете едва ли найдется и несколько граммов этого элемента. Именно по той же традиции получили названия нептуний и плутоний. Но в последние десятилетия самой интригующей планетой остается Юпитер. В 1994 году комета Шумейкеров – Леви 9 врезалась в Юпитер, это было первое космическое столкновение, которое доводилось наблюдать людям. Зрелище астрономов не разочаровало: в планету попал двадцать один ледяной кусок, огненные шары разлетались более чем на 2000 километров. Это драматическое событие заинтересовало и широкую публику, вскоре специалистам NASA пришлось отвечать на некоторые ошеломляющие вопросы, поступавшие во время конференций в прямом эфире. Кто-то спросил, правда ли ядро Юпитера – это огромный алмаз, превышающий по размерам Землю. Другой участник конференции поинтересовался, как связано гигантское Красное Пятно Юпитера с земной «гиперпространственной физикой», о которой он «что-то слышал». Якобы такая физика допускает возможность путешествий во времени. Через несколько лет после столкновения с кометой Шумейкеров – Леви Юпитер своей гравитацией изменил траекторию эффектной кометы Хейла – Боппа и направил эту комету к Земле. Вскоре после этого в Сан-Диего тридцать девять членов секты «Врата Рая» совершили самоубийство, так как полагали, что Юпитер чудесным образом направил ее к нам вместе с заключенным в ней космическим кораблем, который должен перенести их души в высшие духовные миры.

В настоящее время эти странные мнения не подтверждаются. Кстати, Фред Хойл, один из соавторов В2FH, несмотря на свою профессиональную квалификацию и заслуги, не верил ни в дарвиновскую теорию эволюции, ни в Большой взрыв, а выражение это впервые употребил в насмешку в одной из радиопередач на Би-би-си. Но упомянутый выше вопрос об алмазе все-таки научно обоснован. В свое время некоторые ученые всерьез доказывали (или втайне верили), что огромный Юпитер действительно может породить такой гигантский драгоценный камень. Некоторые по-прежнему надеются, что на Юпитере удастся обнаружить не только жидкие алмазы, но и твердые, размером с «Кадиллак». А если уж говорить о действительно экзотических веществах, отметим, что, по мнению ученых, странное магнитное поле Юпитера может генерироваться лишь океаном жидкого черного «металлического водорода». На Земле металлический водород удавалось зафиксировать лишь в течение нескольких наносекунд, в самых экстремальных условиях, какие только можно создать в лаборатории. Но многие физики убеждены, что Юпитер – необъятный резервуар металлического водорода и океан этого вещества достигает глубины в 30 тысяч километров.

Причина, по которой элементы существуют на Юпитере в столь необычном состоянии, заключается в том, что эта планета (а также, в меньшей степени, Сатурн, второй по величине газовый гигант нашей планетарной системы) является своеобразной переходной формой. Юпитер – не столько огромная планета, сколько маленькая неудавшаяся звезда. Если бы на этапе формирования Юпитер вобрал в себя примерно в десять раз больше дейтерия, чем имеет сейчас, то мог бы стать бурым карликом. Бурый карлик – это звезда, массы которой едва хватает для вялотекущего ядерного синтеза и излучения «низковаттного» рыжеватого света[39]. Тогда в нашей Солнечной системе было бы две звезды. Далее мы увидим, что в этом нет ничего из ряда вон выходящего. Юпитер действительно остыл настолько, что какой-либо ядерный синтез на нем невозможен, но сохранил достаточную массу, температуру и давление, чтобы атомы на нем оказывались очень близко друг к другу и вели себя совсем не так, как на Земле. Внутри Юпитера создается «переходная среда», свойства которой неблагоприятны как для ядерных, так и для привычных нам химических реакций. В таких условиях вполне могут существовать и алмазы величиной с небольшую планету, и маслянистый металлический водород.

Атмосферные условия на поверхности Юпитера также приводят к удивительным взаимодействиям между элементами. Но такие явления вполне нормальны на планете, где существует Большое Красное Пятно. Это огромный циклон, в три раза шире нашей Земли, который уже несколько веков продолжает бушевать в атмосфере Юпитера. Возможно, метеорологические процессы в нижних слоях атмосферы Юпитера еще более зрелищные. Поскольку солнечный ветер донес до орбиты Юпитера лишь самые легкие, а значит – самые распространенные элементы, состав этой планеты, в принципе, должен быть почти как у настоящей звезды: 90 процентов водорода, почти 10 процентов гелия и следовые количества других легких элементов, вплоть до неона. Но последние спутниковые наблюдения показали, что содержание гелия в верхних слоях атмосферы Юпитера на четверть меньше ожидаемого, а содержание неона на 90 % меньше, чем полагали ученые. Неслучайно, что в более глубоких слоях атмосферы эти элементы обнаружились в изобилии. Очевидно, какие-то силы переместили гелий и неон из одних мест в другие. Вскоре астрономы поняли, что получить представление об этих силах позволит метеорологическая карта Юпитера.

В ядре настоящей звезды все ядерные микровзрывы уравновешиваются постоянным центростремительным воздействием гравитации. На Юпитере такая ядерная печь отсутствует, поэтому ничто не мешает сравнительно тяжелым атомам гелия и неона проникать из внешних газообразных слоев вглубь атмосферы. Пройдя примерно четверть пути к центру планеты, эти газы оказываются в непосредственной близости от слоя жидкого металлического водорода, где сильнейшее атмосферное давление превращает эти газы в жидкости.

Большинство читателей видели, как гелий и неон красочно светятся в стеклянных трубках – так называемых неоновых лампах. Трение, возникающее при перемещении капелек этих элементов, плавающих в атмосфере Юпитера, может возбуждать атомы газов аналогичным образом, так что капельки напоминают жидкие метеоры. Таким образом, если сравнительно крупные капли падают достаточно быстро и достаточно далеко, то кто-нибудь, парящий прямо над поверхностью водородного юпитерианского океана, мог бы взглянуть в кремово-оранжевые небеса планеты и полюбоваться невообразимым световым шоу. Представьте себе фейерверки, озаряющие юпитерианскую ночь триллионами ярко-малиновых линий, которые уже получили среди ученых название неоновый дождь.