Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

Вселенная рождается в сильно концентрированном виде — невообразимо плотная, и горячая, и крошечная, но она расширяется быстрее света, сотворяя объем, быстро остужаясь по мере разрастания.

По мере того как она охлаждается, Космос становится более структурированным, более знакомым, более домашним.

ПРЕЛЮДИЯ — До образования Земли

Великая симфония углерода началась с короткой бурной прелюдии немногим позже возникновения Вселенной 13,8 млрд лет назад. Некоторое время после Большого взрыва не украшал собою Космос ни единый атом. Вселенная была слишком горячей, слишком хаотичной. Плотной разогретой смеси материи и энергии нужно было сначала расшириться и охладиться, прежде чем основные частицы могли образовать вещество звезд, планет и жизни. В безумном вихре первыми появились водород и гелий, заложив основу почти для всех известных нам материальных объектов. Но только недавно стало известно, что тогда же образовались и многие более тяжелые атомы. Среди них — необходимые для жизни углерод, азот и кислород.

Создание атомов. Углерод Большого взрыва

Ученые долгое время утверждали, что история углерода началась в звездах — вероятнее всего, через миллионы лет после Большого взрыва. Об этом писали в десятках учебников и многочисленных научных статьях. Тот факт, что мы оказались введены в заблуждение, подчеркивает важность ключевых тем изменчивого, сводящего с ума и захватывающего мира исследований углерода. Как можно избежать таких ловушек? Да вот как: сомневаться в каждой предпосылке, проверять и перепроверять результаты и быть готовым к сюрпризам.

Задолго до первого поколения звезд единственным процессом образования атомов в истории Вселенной было уникальное мимолетное событие — 17-минутный всплеск ядерного творчества, названный нуклеосинтезом Большого взрыва, или НБВ{4}. Большой взрыв — исключительное, загадочное мгновение, случившееся 13,8 млрд лет назад, когда вся материя, и энергия, и сам космос внезапно возникли в одной точке, — дал начало расширению Вселенной, продолжающемуся до сих пор. Расширение означает охлаждение, а с охлаждением пришла череда уплотнений — физики называют это застыванием — каскадов преобразований, каждое из которых делало космос все более организованным и интересным.

Первыми из непостижимо горячего и плотного вихря сконденсировались элементарные частицы — кварки (строительные блоки атомных ядер) и лептоны (считайте, электроны). За первую секунду, когда температуры упали до невообразимых 100 трлн градусов, триплеты кварков соединились во множество протонов и нейтронов — также строительных блоков атомных ядер, причем протонов оказалось больше примерно в соотношении семь к одному. Секунды шли, Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться.

На третьей минуте в быстро развивающейся Вселенной создались благоприятные условия для образования стабильных атомных ядер — различных комбинаций протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Впервые за всю (надо признать, короткую) историю космоса температуры значительно снизились до каких-нибудь 100 млрд градусов. Этого изменения оказалось достаточно для того, чтобы сформировавшиеся ядра оставались целыми. Количество отдельных протонов — ядер простых атомов водорода — по-прежнему преобладало в этой субстанции, подобно тому как водород преобладает и в наши дни. Но он не остался в одиночестве. Следующие 17 минут свободные нейтроны лихорадочно соединялись со всеми протонами, попадавшимися им на пути, и формировали тяжелый изотоп водорода, называемый дейтерием. Бо́льшая часть атомов дейтерия затем попарно объединилась в наиболее распространенную разновидность (изотоп) гелия с двумя протонами и двумя нейтронами, известную как гелий-4. К тому моменту как Вселенной исполнилось приблизительно 20 минут, она охладилась достаточно, чтобы ядерный синтез двинулся дальше. Атомные соотношения стали более или менее постоянными. Самая упрощенная версия результатов НБВ во Вселенной выглядит так: около десяти водородных ядер на каждое ядро гелия-4 и немного дейтерия в остатке.

Это полезное упрощение, но история НБВ не так проста. Ядерные частицы (протоны и нейтроны) соединялись во всевозможные комбинации, формируя, помимо прочего, небольшое, но важное количество гелия-3 (два протона плюс нейтрон) и лития-7 (три протона плюс четыре нейтрона), а также более крупные нестабильные ядра, которые быстро распадались. На самом деле соотношения тех редких ядер гелия и лития, которые присутствуют в сегодняшней Вселенной, резко ограничивают варианты предположений о космической эволюции сразу же после Большого взрыва. В соответствии с основной версией космического происхождения, НБВ не произвел стабильных элементов тяжелее лития (третий элемент Периодической таблицы). То же относится и к углероду — шестому элементу.

В этом прелесть науки. «Не было углерода» в ее контексте не обязательно означает «совсем не было углерода». Лучше сказать, «не было значительного количества углерода», достаточного для того, чтобы влиять на последующее поведение звезд и галактик, которые должны были образоваться. Углерода недоставало для появления кристаллов, или атмосферы, или деревьев. Но так как наше исследование посвящено именно углероду, правду об образовании шестого элемента знать необходимо. Для нас появление даже одного атома углерода имеет космическое значение.

Критический интервал между 3-й и 20-й минутами после Большого взрыва был невообразимо буйным и напряженным — бурное время неконтролируемых ядерных взаимодействий и обменов с последующим появлением новых атомов. Почти все столкновения протонов и нейтронов заканчивались синтезом дейтерия или гелия, и лишь в очень незначительной доле ядерных реакций — особенно тех, что случались между более крупными фрагментами ядер уже ближе к более прохладному концу 17-минутного интервала, — образовались комбинации посложнее, в том числе и некоторые элементы тяжелее лития.

Вычисления, опубликованные в 2007 г. итальянским астро­физиком Фабио Иокко и его коллегами, представили более 100 правдоподобных цепочек ядерных реакций, которые ранее не учитывались, поскольку считались слишком невероятными, не говоря уже об их слишком высокой стоимости с точки зрения затрат времени суперкомпьютеров{5}. Иокко сделал такой вывод: да, эти реакции маловероятны, но не невозможны. И углерод, и азот, и кислород — шестой, седьмой и восьмой элементы — все сформировались при НБВ. Их количество было слишком мало, чтобы значительно повлиять на последующую эволюцию Вселенной, но все же они образовались. Согласно вычислениям Иокко, приблизительно на каждые 4 500 000 000 000 000 000 (четыре с половиной квинтильона) ядер водорода появлялось одно ядро углерода-12[8]. Эта на первый взгляд несущественная доля была так мала, что позволила Иокко и его коллегам сделать следующий вывод: самые древние звезды развивались в свободной от металлов среде (металл для астрофизика означает любой элемент тяжелее гелия). То есть ученые опять утверждали, что Большой взрыв, по сути, углерода не произвел.

Но секундочку! В первичной, сразу после НБВ, Вселенной, по приблизительным расчетам, было как минимум 1080 (единица с 80 нулями) атомов водорода — сногсшибательно огромное число. В то же время на каждые несколько квинтильонов атомов водорода образовался