История всего

Помимо того что он является активным ингредиентом столовой соли, натрий (11 протонов в ядре) освещает поверхность нашей чудесной Земли[45] в качестве горячего натриевого газа, которым наполнено множество уличных фонарей. Такие фонари «горят» ярче и дольше, потребляя меньше энергии, чем традиционные лампы накаливания. Они бывают двух видов: распространенные лампы высокого давления, светящиеся желто-белым, и менее распространенные лампы оранжевого цвета с низким уровнем давления. В принципе, любой свет создает помехи в обзоре для астрономов, но натриевые лампы с низким давлением наносят меньше вреда благодаря тому, что создаваемый ими фон (гораздо более узкого спектра) можно легко вычислить и извлечь из полученных телескопами данных. Демонстрируя прекрасный пример отзывчивости к астрономам, целый город Тусон, штат Аризона — самый крупный муниципалитет по соседству с Национальной обсерваторией в Китт-Пике, — перевел все свои улицы без исключения на натриевые лампы низкого давления; это, кстати, еще и оказалось эффективным с точки зрения потребления энергии и помогает городу на ней экономить.

Алюминий (13 протонов в ядре) составляет почти 10 % земной коры, однако он долгое время оставался неизвестным древнему человеку и даже нашим дедушкам и бабушкам исключительно потому, что невероятно удачно сочетается с другими элементами. Выделить его в отдельный элемент удалось только в 1827 году, а в быту алюминий не получил широкого распространения вплоть до конца 1960-х годов, когда оловянные банки и оловянная фольга уступили место алюминиевым. Благодаря тому что полированный алюминий практически идеально отражает видимый свет, сегодня астрономы покрывают все без исключения зеркала своих телескопов тонкой пленкой из атомов алюминия.

Хотя плотность титана (22 протона в ядре) на 70 % выше плотности алюминия, он в два с лишним раза прочнее. Эта прочность и относительно малый вес делают титан — девятый по распространенности элемент земной коры — современным фаворитом во множестве областей, включая производство запчастей военных самолетов, которых необходим легкий и прочный металл.

В большинстве регионов космоса количество атомов кислорода превышает количество атомов углерода. В звездах, как только каждый атом углерода ухватится за доступный атом кислорода, чтобы образовать молекулу окиси углерода (угарный газ) или двуокиси углерода (углекислый газ), оставшиеся атомы кислорода соединяются с другими элементами, включая титан. Спектр излучения звезд красных гигантов наполнен отзвуками свойств, которые проявляются из-за наличия в нем двуокиси титана (молекул TiO2), встречающегося, кстати, и в «земных звездах»: звездчатые сапфиры и рубины обязаны своими сияющими астеризмами примесям в своих кристаллических решетках двуокиси титана, в то время как примеси алюминия обогащают их оттенки. Двуокись титана также входит в состав белой краски, которой покрывают купола телескопов, — она обладает способностью очень эффективно выделять инфракрасное излучение, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить тепло, накапливающееся внутри купола в течение светового дня. В ночное время, когда купол открыт, температура воздуха около телескопа падает быстрее, чем температура ночного воздуха, что уменьшает атмосферное преломление и позволяет свету, излучаемому звездами и другими космическими объектами, достигать наблюдателя с большей точностью и ясностью. Свое имя титан получил от титанов древнегреческой мифологии — как, впрочем, и крупнейшая из лун Сатурна — Титан.

Может, углерод и является самым распространенным элементом в формировании жизни, но во многих других смыслах железо, элемент номер 26, можно назвать одним из самых важных в природе. Звезды с высокой массой синтезируют элементы в своих ядрах, перебирая поочередно один элемент периодической таблицы за другим по мере возрастания количества протонов в их ядрах: от гелия до углерода, кислорода и неона вплоть до железа. Содержащее в себе 26 протонов и как минимум столько же нейтронов железо отличается одной особенностью, следующей из законов квантовой механики, которая управляет взаимодействием протонов и нейтронов: у ядер железа самая высокая энергия связи из расчета на одну ядерную частицу (протон нейтрон). Вот что это значит: если вы хотите раздробить ядро железа (в физике это называется расщеплением), вам потребуется дополнительная энергия. С другой стороны, если вы возьметесь соединять атомы железа (это называется синтезом или сплавлением), они тоже будут поглощать энергию. Получается, энергия нужна и для того, чтобы соединять атомы железа друг с другом, и для того, чтобы расщеплять их.

Для всех остальных элементов справедливо лишь одно из двух: они поглощают энергию либо только при синтезе, либо только в процессе расщепления.

Звезды тем временем заняты превращением массы в энергию согласно постулату E = mc2: это необходимо им для того, чтобы противостоять коллапсу под воздействием своей собственной гравитации. Когда внутри звезд синтезируются атомные ядра, природа требует — и получает — ядерный синтез, при котором выделяется энергия. К тому времени, как массивная звезда превратит большую часть своего содержимого в железо, у нее заканчиваются способы выделения энергии в процессе термоядерного синтеза, потому что весь последующий синтез будет только поглощать энергию, но никак не создавать ее. Лишенное источника энергии, коим был для нее все это время термоядерный синтез, ядро звезды в итоге коллапсирует под своим собственным весом, после чего моментально возрождается в громадном взрыве, известном как сверхновая звезда: ее сияние будет гореть ярче миллиарда Солнц на протяжении как минимум недели. Такие сверхновые звезды рождаются исключительно благодаря удивительному свойству железа — его нежеланию соединяться или делиться на части без дополнительной инъекции энергии.

Мы описали основные свойства водорода и гелия; лития, бериллия и бора; углерода, азота и кислорода; алюминия, титана и железа; таким образом, мы изучили практически все ключевые элементы, благодаря которым космос и жизнь на Земле сегодня существуют.

Ради общекосмического интереса давайте быстро пробежимся и по гораздо более странным участникам периодической таблицы элементов. Вам почти наверняка никогда не доведется владеть сколько-нибудь серьезными объемами этих элементов, но для ученых они не только яркие и загадочные всплески на зеркальной глади природных химических щедрот, но и невероятно ловкие в определенных условиях помощники. Возьмем, к примеру, мягкий металл галлий (31 протон в ядре). Температура плавления галлия настолько мала, что ему хватит тепла человеческого тела, чтобы расплавиться прямо у вас на ладони. Галлий также развлекает астрофизиков, исполняя роль активного ингредиента вещества хлорида галлия — вариации на тему столовой соли (хлорида натрия), что принимает ценное участие в экспериментах по обнаружению нейтрино. Чтобы зафиксировать ускользающие от них нейтрино, астрофизики берут стотонный бак жидкого хлорида галлия и помещают его глубоко под землей (нивелируя воздействие других менее проникающих частиц), после чего внимательно наблюдают за ним, чтобы отследить результаты любых столкновений между нейтрино и ядрами галлия. Такие столкновения ведут к образованию ядер германия по 32 протона каждое. Любое преобразование галлия в германий сопровождается выделением фотонов рентгеновского излучения, которое можно обнаружить и измерить каждый раз, когда на ядро приходится удар. С помощью подобных «нейтриновых телескопов» из хлорида галлия астрофизики разрешили загадку, которую они называли проблемой солнечных нейтрино. Она заключалась в том, что по ранее необъясненным причинам предыдущие поколения детекторов нейтрино обнаруживали их меньше, чем предполагала теория термоядерного синтеза в звездном ядре Солнца.

Каждое ядро элемента технеция (атомное число 43) является радиоактивным, распадаясь за несколько мгновений за несколько миллионов лет на другие типы ядер. Ничего удивительного в том, что на Земле обнаружить технеций в природе нельзя — разве что в ускорителях частиц, где его можно изготовить на заказ. В силу обстоятельств, которые пока не поддаются нашему пониманию, технеций обитает в атмосферах определенного ряда красных гигантов. Как было отмечено в предыдущей главе, это ни за что не взволновало бы астрофизиков, если бы не период полураспада технеция 2 миллиона лет; а это намного меньше, чем предполагаемая продолжительность жизни тех звезд, у которых он был обнаружен. Это доказывает, что звезды не могли сформироваться с готовыми запасами технеция, ведь, если бы это было так, никакого технеция в них уже не осталось бы. Астрофизики также не знают такого механизма, который позволил бы звезде синтезировать технеций в своем ядре и затем доставить его на свою поверхность, где они и имеют честь его наблюдать. Причины наличия технеция в атмосфере таких звезд до сих пор не разгаданы, из-за чего в данной области иногда рождаются весьма экзотические теории, ни одна из которых, впрочем, пока не получила единодушного одобрения в сообществе астрофизиков.

45

Авторы имеют здесь в виду Соединенные Штаты Америки.