Skip to content Skip to footer
Как во вселенной появились химические элементы тяжелее гелия

Почему химические элементы появились во вселенной? Звёзды так сошлись. Дмитрию Ивановичу Менделееву просто повезло. Если бы не звёзды, ничего бы у него с Периодической таблицей не вышло. Да и его самого бы не было.

Касается это, впрочем, не всех элементов. Водород, гелий (вчетверо меньше, чем сейчас), литий, бериллий, бор (в следовых количествах) — были с самого начала. Для персон, хронически не понимающих, откуда учёным доподлинно известно, что было во времена, когда их самих ещё не было, напомню что скорость распространения света ограничена. А значит, объекты удалённые от нас на миллиард световых лет видимы такими, какими они были миллиард лет назад. Непосредственно наблюдать прошлое вселенной можно уже с момента, когда она становится прозрачной для света. Сам же свет учёные умеют подвергать спектральному анализу, позволяющему установить, что именно светит. В самый первый момент светили водород и далее до бора включительно. Сами по себе светили. Звёзд тогда ещё не имелось. Но хорош был бы Менделеев с таблицей из пяти пунктов…

Для появления таблицы, кстати, нужны не всякие звёзды. Только большие. Мелкие — бурые, красные, оранжевые карлики массой до половины солнечной — предусмотрены во вселенной лишь выставления клоунами людей, хронически уверенных, что рост энтропии означает снижение сложности и увеличение беспорядка. Поскольку даже в таких звёздах происходит синтез гелия из водорода, и вещество, по мере рассеяния энергии, усложняется. Но ничего, кроме морального удовлетворения, существование карликов, составляющих 99.5% звёздного населения, вселенной не приносит. Они рассчитаны на 50-200 миллиардов лет непрерывной эксплуатации, да и потом не взорвутся. Так что, наработанный гелий в них и останется.

Звёзды среднего калибра — от 0.5 до 12 солнечных масс — выгорают сравнительно быстро. После того, как в их ядрах заканчивается водород, возобновившийся гравитационный коллапс приводит к нарастанию давления до уровня, при котором начинаются реакции синтеза с участием гелия. Перенести это событие относительно лёгкая звезда не может. Она раздувается, превращаясь в красный гигант. После его половина её массы вытекает из гравитационной ямы и рассеивается. Так в состав галактического газа возвращается часть водорода, уже основательно обогащённого гелием и продуктами горения гелия — главным образом, кислородом и в меньшей степени углеродом.

В незначительных количествах в выбросах звёзд средней массы присутствуют, однако, и более тяжёлые, чем кислород элементы. Ведь, например, родившийся в результате слияния четырёх альфа-частиц (ядер гелия) кислород способен захватить и пятую, превратившись в неон. Если же ему не повезёт, альфа окажется битая, и захватит он гелий-3, получится фтор. Неон также может превратиться в магний, магний в кремний, кремний в серу. Но дальше серы дело в «средневесах» уже точно не идёт, да и общее количество элементов тяжелее гелия в их выбросах ничтожно. Углерод и кислород практически полностью остаются в остывающем ядре звезды — белом карлике.

Но могут и не остаться. Если в двойной системе достаточно массивный белый карлик захватит дополнительную порцию газа при рассеянии второго компонента системы (а звёзды как правило бывают кратными и вероятность такого события очень высока), произойдёт «углеродная детонация», и карлик взорвётся, как сверхновая I типа. В этом случае он рассеивается полностью. Продуктом же синтеза с участием кислорода и углерода является в основном кремний. Это очень эффективный механизм обогащения галактического газа тяжёлыми элементами. Благодаря ему именно кислород (который при детонации выгорает только частично) и кремний являются наиболее распространёнными после водорода и гелий химическими элементами. Образуются (с небольшой вероятностью) путём альфа-процессов, а также захвата нейтронов и протонов, при взрывах сверхновых I типа и более тяжёлые элементы, вплоть до железа и никеля.

Львиная доля железа и никеля, впрочем, образуется при взрывах тяжёлых звёзд массой 12 «солнц», в недрах которых углерод и кислород успевают выгореть естественным порядком. В зависимости от массы, звезда разрушается с образованием пульсара (нейтронной звезды) или чёрной дыры лишь после начала реакций синтеза с участием кремния. Четыре пятых её вещества при этом рассеиваются и продуктов сгорания кремния — железа и никеля — там более чем достаточно. Элементов тяжелее никеля — вплоть до актиноидов (урана и тория) — тоже хватает. Особенно, если звезда тяжелее 18 «солнц». В этом случае, между моментами выгорания кремния и превращением в чёрную дыру, она успевает пройти этап слияния тяжёлых ядер в процессе гравитационного коллапса. Кроме того, много актиноидов производится в процессах редких, но весьма производительных — при взрывах гиперновых, — например, столкновении нейтронных звёзд.

…Специально же для людей хронически уверенных, что взрывы разрушительны, и что-либо созидать не могут, напомню: разрушению подвержено только то, что уже синтезировано. По этой причине, синтез всегда преобладает над распадом. Кроме того, ядра стабильных изотопов до железа включительно, фактически, неразрушимы. То есть, взрыв может добавить к такому ядру одну или несколько альфа-частиц, может привести к слиянию тяжёлых ядер, но, вот, наоборот — никак. Нет пути. Стабильное ядро до железа включительно способно только расти.

И, наконец, что же происходит с газом, выброшенным прогоревшими и взорвавшимися звёздами? Он разлетается в виде плазмы — полностью ионизированного вещества — ядра отдельно, электроны отдельно. По мере остывания происходит рекомбинация с образованием атомов. Железо и кремний из плазмы превращаются в пар. На этом этапе химические элементы реагируют друг с другом, образуя молекулы. Образуются оксид кремния, вода, метан, углекислый газ, аммиак и прочие небулярные соединения.

Затем, когда температура облака становится ещё ниже, пар, как пару и положено, конденсируется и замерзает. Также, как из водяного пара образуется снег, кремниевый или железный пар превращается в космическую пыль. А при дальнейшем охлаждении туманности пылинки тяжёлых элементов превращаются в центры кристаллизации различных видов льда.

…И да, после рекомбинации, газопылевые туманности становятся тёмными. В таких и рождаются новые звёзды. Именно это астрономы и увидели. Специально же для персон хронически уверенных, что газ в пустоте склонен рассеиваться, а не сжиматься, напомню, что и газ обладает массой. В силу чего, например, земная атмосфера сжимается к поверхности, а не улетает в пустоту.

Новые публикации также можно увидеть на Дзен-канале

Подписаться
Уведомить о
guest
3 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Юрий Южный
Юрий Южный
3 месяцев назад

Хорошая статья. Очень хороший тактический материал.
Меня всегда интересовала эволюция — синтез и распад.
Я пытался найти общую закономерность, для этих процессов.
И пришёл к выводу, что общей «Схемой» являются «Биполярные функции».
На основании этих функций Вселенная имеет два полушария с полюсами N и S и экватор; и есть такой параметр как «Угол полярного перекоса».
Как это работает?
На одном полушарии (от значения угла зависит) в основном идёт процесс синтеза, а на другом полушарии идёт в основном процесс распада.
Синтез и распад относительно полушарий идёт асимметрично.
Напрашивается такой вопрос: а что же такое конкретно N и S ?
…Это взаимодействие двух зарядов…и их общее электромагнитное поле.
На основании этого я делаю вывод, что между Землёй и Луной находится их общее массопространственное поле, центр которого находится в 4 700 км. от центра Земли.
Масса и пространство — это два полюса.
Синтез — это вектор массы, а распад — это вектор пространства…
Если посмотреть на таблицу химических элементов «Эволюция атомов», то в этой таблице видна закономерность синтеза и распада. Гм…Да, уж…Никто не знает Функций и Таблицы.
Да, уж…

Роман
Роман
2 месяцев назад

Отличная статья. Только вот не могу до конца разобраться. Читал, что тяжелые элементы образуются исключительно при столкновении нейтронных звезд. Каково сейчас общепринятое мнение?