скачать книгу бесплатно
Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству
Валерий Николаевич Бескопыльный
В научно-популярной форме прослеживается удивительный маршрут эволюции природы от хаоса элементарных частиц Большого взрыва до человека разумного современного. Увлекательный и непредсказуемый путь природы к человеку в нашей Вселенной оказался неимоверно протяженным, очень извилистым и продолжительным. Этот «человеческий» маршрут пробивался в будущее через клубок неисчислимого количества разных направлений эволюции природы. Вешками «антропного» маршрута выбраны 47 важнейших, замечательных эволюционных развилок – разномасштабных, судьбоносных событий, возникавших в расширяющейся и стареющей Вселенной. Каждый человек существует благодаря реализации этих природных важнейших поворотов эволюции, которые можно назвать «Наши развилки». Тернистый путь эволюции природы к человеку сопровождали непосредственные участники – атомные гиды Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Флюор, Ферум, Карбомал и Карбовеж.
Валерий Бескопыльный
Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству
ВВЕДЕНИЕ
Как-то в беседе с приятелем, механиком по образованию, мы затронули вопрос о происхождении человеческого рода. Суждения, которые услышал автор данных строк, были такими далекими от современных достижений антропологии и других соответствующих наук, что вызвали твердое желание подобрать и рекомендовать собеседнику хорошую книгу на эту тему. Целью моих библиографических поисков был научно-популярный обзор современных научных представлений о том, какой эволюционный путь прошла природа на протяжении всего времени существования Вселенной для того, чтобы появился человек разумный. Среди множества замечательных, подробных книг по различным аспектам рассматриваемой проблемы[1 - Примерным списком таких, рекомендуемых книг является приведенный в конце данной брощюры перечень избранной литературы.] (пояснения по ссылкам можно смотреть в конце книги в разделе Ссылки) к сожалению, не удалось найти такое изложение маршрута природы к современному человеку, которое удовлетворяло бы мои желания на этот счет.
Хотелось найти книгу, которая в достаточно краткой форме, на основе научных данных прослеживала бы особый маршрут эволюции природы от хаоса элементарных частиц Большого взрыва до человека разумного (Хомо сапиенс). По моим представлениям, в качестве вешек «антропного» маршрута можно было бы выделить моменты разветвления (дивергенции) эволюционных направлений – развилки эволюции природы. Каждая такая развилка отражает время, место и событие, характеризующие поворот определенного вектора эволюции природы к возникновению Солнечной системы, Земли, к происхождению жизни, предков человека и современного человека. В процессе путешествия по развилкам эволюции хотелось бы получить ответ на вопрос о том, насколько неотвратимым, предопределенным, закономерным было появление человека разумного? Какова роль случая в выборе направления эволюции на той или иной развилке? Какие существовали варианты эволюции природы по направлению к иным разумным формам жизни? Весь путь эволюции природы к человечеству через эти развилки сопровождали первые атомы водорода (протоны), которые родились чуть позже момента возникновения нашей Вселенной 13,82 миллиардов лет назад (л.н.). Эти первые протоны стали основой всех, возникших со временем, химических элементов – обычного вещества, строительного материала для звезд, планет, всех живых организмов, включая людей. На примере эволюции некоторых из протонов, как мне представлялось, можно было бы проследить их разнонаправленные преобразования на антропном маршруте.
Поскольку мне не удалось среди множества прочтенных книг найти рассказ с искомым содержанием, то решил сам составить научно-популярный обзор, соответствующий желаемому плану. Для иллюстрации некоторых основных приключений, которые происходили с атомами водорода за время их путешествия через пространство-время, от Большого взрыва в нашу современную жизнь, использовал семь протонов в роли наших «гидов». Их эволюция от протонов к своим современным формам происходила в разные моменты истории Вселенной и в весьма разнообразных условиях. Собственные имена гиды-водороды получили по названиям тех элементов, в форме которых они сейчас пребывают. Так, Гидрожен как был, так и остался водородом, другие протоны вошли в состав более сложных химических элементов: Оксижен – в ядро атома кислорода, Нитрожен – азота, Карбовеж и Карбомал – углерода с разными судьбами, Флюор – фосфора, Ферум – железа.
Антропный маршрут охарактеризован 47 основными эволюционными развилками, возникавшими в расширяющейся и стареющей Вселенной. Гиды сопровождают читателя по «человеческому» пути эволюции природы через эти развилки от момента образования нашей Вселенной до появления Галактики Млечный путь, затем в нашей звездно-планетной – Солнечной системе и, наконец, на Земле. Эволюция природы в соответствии с этими особенностями маршрута разделена на четыре крупных этапа: 1. Космический (или Доземной), 2. Геологический (Земной-Добиотический), 3. Биотический и 4. Разумный. Эволюция на каждом из этих этапов направлялась совокупностью определенных развилок. Маршрут эволюции природы к человеку, при всей своей особенности, на протяжении большей части совпадал с эволюционным путём многих живых существ и отклонился на уникальное направление только на Разумной (Сапиенсной) развилке. Наши многочисленные предки, от первых одноклеточных организмов до ранних представителей рода человеческого, являлись в то же время и предками тех или иных нынешних и вымерших организмов. Чем древнее предок, тем разнообразнее у него родословная. Родословная любого живого существа до определенной развилки совпадает с родословной всех более древних своих предков. Задача данного обзора – вычленить из сложнейшей сети направлений развития жизни эволюционный путь формирования человека.
Фактические сведения, положенные в основу этой книги, почерпнуты из множества современных научных первоисточников (статей, докладов, лекций), на которые в тексте не приведены ссылки, чтобы не напрягать лишний раз читателя доказательствами, необязательными при популярном изложении. Отсутствие ссылок на источники информации может быть оправдано также тем обстоятельством, что в процессе разработки авторской идеи «об эволюционных развилках на антропном маршруте развития природы» вся полученная информация сопоставлялась, перепроверялась, переосмыслялась и представлена на суд читателя, как правило, в интерпретации автора данного обзора. Вместе с тем, ряд интересных идей родился у автора при чтении научно-популярных книг, основные из которых указаны в списке Избранная литература в конце данной брошюры. Эти книги, возможно, заинтересуют читателя, желающего расширить свои представления о тех или иных проблемах.
Читателю предложены многочисленные ссылки, поясняющие научные термины или малоизвестные сведения. Те читатели данного обзора, которые не желают напрягаться по поводу непонятных слов, могут спокойно оставлять без внимания эти пояснения и продолжать дальше знакомиться с основными перипетиями эволюции природы по направлению создания разумных существ. Данная книга представляет возможность узнать много нового и интересного относительно величия многовариантной природы, великолепной родословной цепочки разнообразных предков человека, места человечества во Вселенной, жестокой борьбы за существование. В результате читатель составит цельное представлением о череде эволюционных развилок-событий, обеспечивших появление земного человека разумного. Читатели, обогащенные этими сведениями, могут изменить свои оценки жизненных неприятностей, будут дорожить каждым днем существования, станут вернее и нежнее любить.
«Эволюция – это сочетание приспособительной
и случайной изменчивости»
1. КОСМИЧЕСКИЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ПРИРОДЫ ПО НАПРАВЛЕНИЮ К ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
Узловые события эволюции природы на пути к человечеству, которые случились в период от Большого взрыва до появления планеты Земля, объединены в Космический (Доземной) этап. Этот отрезок антропного эволюционного маршрута проходил через развилки, возникавшие среди неимоверно огромного числа форм материи и неисчислимого количества разнообразных и разновременных событий. В этом обзоре рассмотрим только несколько основных эволюционных развилок, которые исполнили важнейшую роль в появлении земной жизни. Речь идет о таких космических развилках эволюции природы, как: Вселенская, Аннигиляционная, Галактическая (Млечная) и Солнечная.
Начнем рассказ с представления семи химических элементов, производных от ядер атомов водорода, собственные имена которых: Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум. Эти атомы исполняли роль своеобразных космических гидов, поскольку были свидетелями многих событий, создававших эволюционный маршрут природы к человечеству.
1.1. Происхождение наших космических гидов – ядер атомов водорода: Гидрожена, Оксижена, Нитрожена, Карбовежа, Карбомала, Флюора и Ферума
Больше узнать о многочисленных развилках антропного эволюционного маршрута нам помогут семь атомов водорода – братья-водородики, рожденные вскоре, после возникновения нашей Вселенной в процессе Большого взрыва 13,82 миллиардов л.н. Эти семь химических братьев появились в космической семье, насчитывающей многие триллионы близнецов – водородов. Основой всех современных химических элементов является этот первый элемент (частица протон). Преобладающая часть этих близнецов до сих пор пребывают в форме самого легкого и самого распространенного элемента во Вселенной – водорода. Выбранные нами атомы водорода, в процессе движения через пространство и время от Большого взрыва в нашу современную жизнь, превратились в те или иные, более тяжелые химические элементы, от названия которых произошли их имена. Это – Оксижен (двухвалентный кислород) и Нитрожен (трехвалентный азот). Следующий – Карбовежитал (от слов карбон – углерод и вежиталь – растительный), кратко говоря, Карбовеж – четырехвалентный углерод, оказавшийся в растительном мире Земли. Близким родственником Карбовежа является Карбоанимал (от карбон – углерод и анималь – животный), сокращенно – Карбомал. Этот углерод пребывает на Земле, главным образом, в мире животных, в том числе оказался в теле современного человека. Флюор – пятивалентный фосфор и Ферум – пятивалентный атом железа. Современную свою форму, т. е. вид химического элемента каждый из наших гидов-водородов, как и любой элемент Вселенной, приобрел при разных обстоятельствах: либо в процессе остывания первично раскаленной Вселенной до определенной температуры, либо в недрах медленно сгорающей звезды, или в момент взрыва сверхновой звезды. Во время этих событий представленные наши химические гиды взаимодействовали с большим числом себе подобных, образовав определенные соединения или скопления единогалактических или единозвездных атомов. Только Гидрожен остался до сих пор просто одновалентным водородом.
Эти химические элементы, преодолев огромнейшие расстояния, приняв участие во многих вселенских событиях, оказались на Земле около 4,5 миллиардов л.н., чтобы продолжить путешествие в форме тех или иных геологических объектов и биотических организмов. Все живые организмы имеют удивительно простой и однообразный химический состав. Углерод, водород, кислород и азот (их латинская аббревиатура – CHON) стали главными элементами всех живых организмов: от бактерий до клеток самых сложных организмов. На их долю приходится около 98 % состава клетки любого организма, что не случайно, поскольку они, наряду с гелием, являются самыми распространенными видами атомов во Вселенной. Следующим по объему в организмах является фосфор. Довольно важная роль принадлежит железу, а также другим макро- и микроэлементам. В клетках живых организмов встречаются около 90 химических элементов, среди которых 25 обнаружены практически во всех клетках. Все эти химические элементы имеются также в неживой природе. Единство живого и неживого прослеживается в том, что их представители состоят из одинаковых элементов, кроме того, живые и неживые формы существуют в постоянном взаимодействии. Химические элементы из неживых молекул, минералов переходят в живые организмы, чтобы затем вернуться в неживую природу. Все атомы, в том числе, Гидрожен, Оксижен, Нитрожен, Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум, в определенные периоды своего существования были задействованы в тех или иных круговоротах: космическом, геологическом, биотическом и других. Судьба каждого из наших гидов-атомов связана с теми или иными объектами и/или событиями, которые привели эволюцию природы к человечеству, но всё же каждый из них прошёл своим путем, изобиловавшим собственными приключениями.
1.2. Вселенская развилка эволюции природы на пути к человечеству. 13,82 миллиардов лет назад
Появление на свет наших атомов-проводников и реализация их конкретных судеб стали возможными только потому, что образовалась именно наша Вселенная. Вечный и бесконечный мир[2 - Мир включает всё, что существует повсюду, в том числе, всё созданное человечеством: от примитивных орудий труда до произведений искусства, а также до субъективных идей и абстрактных понятий. Учеными разрабатывается гипотеза о мире, как о мультивселенной – бесконечной системе вселенных-пузырей. Синонимом понятия «мир» может быть понятие о «материи», которое включает всё содержимое пространства, включающее вещество (и антивещество, и темное вещество) плюс энергию (поля излучений и так далее). Вселенная – часть мира.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) представляет собой, по преобладающему мнению ученых, пространство-время с пузырями-протовселенными и пузырями-вселенными. В нем возникают и прекращают существование многие вселенные с разными проявлениями законов физики. Природа[3 - Природа – всё естественное, т. е. весь мир за исключением всего искусственного, созданного человечеством. Автор понимает, что человеческая деятельность является одним из геологических факторов, т. е. природным явлением. Однако, популярность данного изложения удерживает его от углубления в столь обширную проблему.] осуществляет эволюцию многовариантно, направляя развитие («выбрасывая кости основных характеристик») в каждой вселенной своим особым путем.
Начало образования очередной вселенной является условной развилкой, на которой эволюция природы сворачивает на особый путь своего развития. Современная теория указывает, что количество пузырей в мире, т. е. потенциальных вселенных может измеряться единицей с пятьюстами нулями. На основании этого можно предполагать, что существует такое же немыслимо огромное число «начальных» направлений (маршрутов, вариантов) эволюции природы на этапе создания вселенных. Лишь немногие из этой массы пузырей могут быть основой тех вселенных, где законы природы совместимы с известной нам формой жизни. Людям повезло, что 13,82 миллиардов л.н. природа заложила начало нашего, антропного направления своей эволюции. Для земных людей появление нашей Вселенной среди множества пузырей-протовселенных явилось самой главной развилкой эволюции природы. Назовём её Вселенской развилкой, от которой схематично проследим извилистый путь эволюции природы, приведший к появлению человека разумного. Люди – дети антропного космического пузыря.
Существует несколько более-менее обоснованных гипотез возникновения Вселенной. Наиболее распространенным и принятым многими специалистами является представление о том, что начало Вселенной связано с Большим взрывом. Это представление обосновывает многоэтапность эволюции Вселенной, которая хорошо описывается теориями о: Большом взрыве (теория горячей Вселенной), расширении (теория Фридмана), инфляции, формировании крупномасштабной структуры (иерархическая теория), звездном населении. В эволюции Вселенной выделяется более десяти фаз и эпох, характеризующих увеличение объема пространства, появление физических сил и взаимодействий, образование всех элементарных частиц, атомов, молекул, звезд и галактики. Детальное описание периодизации этих процессов не является целью нашего обзора. Отметим только, что формирование нашей Вселенной началось из некоторого сингулярного состояния материи и энергии. Такое состояние предполагало бесконечно великие значения температуры, давления и плотности, совмещенные в минимальном объеме, когда не действовали известные физические законы (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий). Процесс образования Вселенной сопровождался масштабным и быстрым увеличением пространства-времени – инфляционным расширением с постепенным снижением неимоверно высокой температуры. Такое быстрое «вздутие» Вселенной вызвало выделение энергии и элементарных частиц. Все пространство заполнилось плазмой, состоящей из гравитонов (гипотетических безмассовых элементарных частиц, переносящих гравитационное воздействие) и GUT-бозонов (теоретически предполагаемых сверхтяжелых частиц, возможно существовавших в ранней Вселенной). Дальнейшее остывание привело к появлению смеси различных частиц, античастиц и гамма-фотонов высоких энергий. Произошло разделение физических сил взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.
Частицы и античастицы, сталкиваясь, взаимно уничтожались и рождались вновь. Возникли электроны, позитроны, кварки, антикварки и глюоны. Продолжающееся ускоренное расширение и охлаждение Вселенной вызвало процесс бариогенеза – соединение кварков в протоны и нейтроны, которые стали основой ядер (нуклонов) атомов всех химических элементов. Разнотипные кварки и антикварки в нашем рассказе можно назвать Фундаментальными бесструктурными предками протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов, которые явились основой обычного для нас вещества и исчезнувшего антивещества[4 - Антивещество – материя, состоящая из атомов, ядра которых представлены антипротонами и антинейтронами. Такие ядра имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами («антиэлектронами») с положительным электрическим зарядом. Тогда, как атомы вещества имеют положительно заряженные ядра из протонов и нейтронов. Окружающие их электроны имеют отрицательный заряд.].
Если наблюдаемое расширение Вселенной экстраполировать назад в прошлое до самого начала, тогда пространство-время схлопнется в точке космической сингулярности, где известные физические законы не действуют. Возрастом Вселенной является время её расширения из космической сингулярности до нынешнего состояния. Ученые разработали довольно сложные и кропотливые способы оценки возраста Вселенной по: возрасту звезд через яркость свечения белых карликов, расширению Вселенной, возрасту химических элементов с помощью их радиоактивного распада и по некоторым другим данным. Самым достоверным в настоящее время считается возраст 13,799 ± 0,021 миллиарда лет или, с учетом поправки в большую сторону, 13, 82 миллиарда лет. Это время от Большого взрыва до наших дней рассчитано в 2013 году по сведениям космического телескопа «Planck» о скорости расширения границ космоса равной 67,15 км/с. Сведения, полученные этим телескопом, позволили также уточнить, что массовая доля обычного вещества во Вселенной составляет 4,9 %, а темного вещества 26,8 %. Остальные 68,3 % приходятся на темную энергию.
Вычисление ограниченного срока существования Вселенной влечет за собой возникновение естественного вопроса о том, что было до Большого взрыва? В 2012 году коллектив ученых опубликовал гипотезу, согласно которой вселенная эволюционирует по замкнутому циклу. Она возникает в процессе Большого взрыва, расширяется, заполняется звездами, планетами и другими космическими объектами, входящими в состав галактик и межгалактического пространства, а также черными дырами. Локальные черные дыры, постепенно сливаясь вместе, поглощают всё вещество-энергию. В результате этого процесса вселенная постепенно «схлопывается» вокруг мегамассивных черных дыр, образованных в центрах обширных групп галактик, а затем вокруг единой супермощной черной дыры. Эпоха преобразования всей вселенной в черную дыру обеспечивает её превращение в некий суперконцентрированный объем пространства-времени, в котором отсутствует вещество, а энергия пребывает в форме какой-то информации. В момент полного исчезновения вселенной происходит новый Большой взрыв и начинается эволюция очередной вселенной в соответствии с исходной информацией-энергией. До появления нашей Вселенной сменилось, возможно, бесконечное число вселенных с некими случайными отличиями. Так, что «человеческая» Вселенная, вполне возможно, является уникальной за все время существования мира.
Когда я ознакомился с этой гипотезой о многократности происхождения вселенной, то сразу вспомнил древнюю индусскую легенду о повторяемости всего, придуманную много веков назад. В ней говорится о том, что через какое-то время исчезнет наша Вселенная и возникнет ее аналог. Эволюция возобновленной Вселенной пойдет по прежнему варианту и, соответственно, приведет к формированию Солнечной системы и Земли. Все события на нашей планете повторятся вплоть до судьбы каждого человека. Этот процесс постоянного возвращения к первоначалу не прекратится никогда. Такая выдумка мудрецов была для многих и для меня, в том числе, неким утешением краткости человеческой жизни, «научнообоснованной» надеждой на бесконечную повторяемость жизни.
1.3. Аннигиляционная развилка эволюции нашей Вселенной. Около 13,82 миллиардов лет назад
Через тысячную долю секунды после Большого взрыва (ПБВ) произошла аннигиляция (взаимное уничтожение с высвобождением энергии) электронов и позитронов, кварков и антикварков, а затем протонов и антипротонов. После аннигиляции остались только частицы, число которых немного превышало количество античастиц. Кварки и антикварки перестали существовать в виде свободных частиц. Наша Вселенная избавилась от антивещества и пошла по пути эволюции обычного вещества. Все пространство заполнилось оставшимися после аннигиляции частицами, включая множество триллионов протонов, которые представляют собой ядра первого химического элемента – протия – самого распространенного (99,98 %) изотопа водорода. Таким образом, итог борьбы вещества и антивещества направил развитие нашей Вселенной по благоприятному для людей пути (варианту) через Аннигиляционную развилку около 13,82 млрд. лет назад. Для людей это событие стало определяющим потому, что некоторая часть оставшихся после аннигиляции протонов выполнила функцию фундаментальных (элементарных) предшественников всех живых существ, т. е. стали Водородными (Протийными) предками живых организмов.
Важным для нашего повествования результатом прохождения Вселенной через Аннигиляционную развилку явилось то обстоятельство, что не подверглись аннигиляции те семь протонов, которым суждено было провести нас через историю Вселенной. Они уже родились с рисками быть уничтоженными сразу после своего рождения. Опасность заключалась в появлении их антиподов – ядер атомов антиводорода. Ядра антиводорода – антипротоны возникли из антикварков. Во время бариогенеза (этапа создания пар протонов – антипротонов и нейтронов – антинейтронов) происходила аннигиляция сталкивающихся частиц и античастиц (взаимопревращение частицы и античастицы в два фотона или вспышку гамма—излучения). Сейчас ученые оценили, что в то время количество обычного вещества превышало антивещество только на одну миллиардную часть, т. е. на 1 000 000 000 античастиц приходилась 1 000 000 001 частица. Из этого относительно мизерного остатка обычных частиц и фотонов (квантов электромагнитного излучения), образовавшихся в результате аннигиляции частиц и античастиц, возникла наша Вселенная. Аннигиляция уничтожила такие первичные объемы вещества и антивещества, из которых получились бы десятки вселенных, подобных нашей. Зато наша Вселенная была обеспечена количеством фотонов, превышающим в миллиард раз вселенское количество атомов. В настоящее время эти фотоны представляют собой реликтовое излучение, наблюдаемое астрономами и подтверждающее факт образования Вселенной. В такой кажущейся расточительности природы заложено её свойство – создавать новые свои формы с максимальной вероятностью успеха при множестве возможных вариантов исходных условий. В первую очередь, почему-то приходит на память аналогия с оплодотворением одной человеческой яйцеклетки, за которую «сражаются» миллионы сперматозоидов.
Вскоре после аннигиляции (приблизительно в период от 1 до 3 минут после Большого взрыва) температура Вселенной понизилась до 10 млрд. градусов Кельвина (°К), появились условия благоприятные для протекания ядерной реакции образования дейтронов – ядер стабильного изотопа водорода – дейтерия (процесса первичного нуклеосинтеза). В этом процессе часть ядер протия (протонов) объединилась с нейтронами, которых оказалось в 7 раз меньше, чем протонов. Такое объединение привело к появлению ядер стабильного, тяжелого изотопа водорода – дейтерия (1 протон + 1 нейтрон). Наряду с формированием ядер дейтерия, небольшая часть нейтронов израсходовалась на присоединение к дейтерию, что создало ядра сверхтяжелого радиоактивного изотопа водорода – трития, состоящего из протона и двух нейтронов. Наиболее активно синтез дейтерия происходил по истечении трёх минут после Большого взрыва (ПБВ). В это время присоединение к дейтерию по одному протону и одному нейтрону или взаимодействие ядер трития с ядрами дейтерия, или со свободными протонами (ядрами протия) создало ядра гелия (альфа—частицу), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку исходное соотношение протонов и нейтронов составляло 7:1, то за несколько минут были израсходованы все почти нейтроны, а большая часть протонов (ядер водорода – протия) осталась в свободном состоянии. В первичном нуклеосинтезе кроме дейтерия, трития и гелия-4 образовались такие элементы, как: гелий-3, литий-6, литий-7, бериллий-7, бор-11, углерод, азот и кислород. Нестабильные изотопы тритий и бериллий-7 распались вскоре после первичного нуклеосинтеза с образованием гелия-3 и лития-7, соответственно. Оставшиеся изотопы – дейтерий, гелий-3, литий-7, бор-11, углерод, азот и кислород составляли в веществе настолько незначительную долю, которая никак не повлияла на состав и характер эволюции первых звезд. Однако не следует так пренебрежительно относиться к этим первым тяжелым элементам, памятуя, что в науке о космосе существует неразрешенная проблема – что было вначале: первая пыль или первая звезда? Но об этом поговорим немного позже, когда будем описывать Вселенную в возрасте около 400 тыс. лет.
Спустя приблизительно 3 минуты после Большого взрыва температура уменьшилась настолько, что процесс нуклеосинтеза прекратился. На создание гелия и мизерного объема более тяжелых элементов в процессе термоядерных реакций первичного нуклеосинтеза была израсходована четвертая часть вселенского водорода. Космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода – протия (около 75 % общей массы) и гелия (почти 25 %).
Среди элементов, участвовавших в первичном нуклеосинтезе, оказались не все наши гиды-водороды, а только Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум. Они удачно столкнулись с нейтронами и превратились в ядра дейтерия (ядро дейтерия, тяжелого водорода – дейтрон – 2H, D). Кроме того, давление и температура во Вселенной в то время были благоприятными для термоядерной реакции, при которой ядра дейтерия превращались в ядра гелия-4. Поэтому Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум, будучи ядрами дейтерия, смогли соединиться со свободными ядрами трития. В результате на их основе образовались ядра гелия-4, которые состоят из 2 протонов и 2 нейтронов. Так как масса гелия меньше, чем сумма масс четырёх свободных протонов, то часть массы в этой реакции перешла в энергию фотонов. Гидрожен, Оксижен и Нитрожен оказались в менее насыщенной частицами части плазменного скопления, и поэтому им не удалось встретиться в космосе с другими элементами и сменить прежнюю форму своего существования на более сложную. Они продолжали свои космические одиссеи в форме стабильного изотопа водорода – протия (ядро протия – 1H: 1 протон и 0 нейтрон). Все наши гиды путешественники на протяжении последующих нескольких сотен миллионов лет находились в одном из локальных сгущений плазмы. Поэтому они не разбрелись по просторам космоса, несмотря на то, что расстояния между плазменными облаками неимоверно быстро увеличивались за счет быстрого расширения Вселенной.
Заглядывая в будущее, отметим, что после первичного нуклеосинтеза сформировавшийся химический состав вещества во Вселенной оставался постоянным в течение около 300 млн. лет, до образования первых звёзд, ядерные реакции внутри которых стали генераторами новых порций гелия и более тяжелых элементов. Да и после образования огромного числа звезд, и генерации ими гигантской массы тяжелых элементов в течение миллиардов лет, общий химический состав Вселенной мало изменился. Так, к настоящему времени всё вещество представлено водородом на 74 %, гелием на 24 %, всеми более тяжелыми элементами вплоть до урана на 2 %. Относительно небольшая «наработка» элементов тяжелее гелия указывает на неимоверно гигантские объемы исходных химических элементов во Вселенной.
Вернемся к начальным этапам эволюции Вселенной. На протяжении приблизительно 180 тысяч лет ПБВ Вселенная была заполнена горячей, плотной электрон-фотон-протонной плазмой, образованной в результате первичного ядерного синтеза (нуклеосинтеза). Эта плазма включала наряду с ядрами водорода (протонами) и гелия (альфа-частицами), немного ядер лития и совсем мало ядер бора, углерода, азота и кислорода, а также электроны и множество других различных частиц. Весь этот меланж вещества и излучения был подобен океанам энергии, «кипящим» в ещё относительно небольшом объеме стремительно расширяющегося пространства. Отрицательно заряженные электроны и кванты излучения взаимодействовали с ядрами элементов, рассеивались, поглощались, не имея возможности вырваться на свободу, оторваться от вещества. Такое взаимодействие вещества и излучения (включая свет) обеспечивало непрозрачность пространства. Вселенная в состоянии плазмы напоминала густой туман. Наши космические гиды, положительно заряженные ядра: водорода (Гидрожен, Оксижен, Нитрожен), а также гелия-4 (Карбовеж, Карбомал, Флюор и Ферум), как и все другие атомные ядра метались в этой массе вещества-энергии. Облако, в котором они были захвачены общим движением, представляло собой относительно плотное сгущение темного и обычного вещества, из которого в будущем образуется звездная галактика. Подобных протогалактических сгущений вещества-энергии в то время формировалось огромное множество.
Дальнейшее расширение и остывание Вселенной (до температуры 3000 °К) привело к значительному уменьшению плотности вещества. Приблизительно в период от 180 до 410 тысяч лет (ПБВ) в изменившихся условиях все частицы, включая электроны, уменьшили скорость супербыстрого хаотического движения. Ядра элементов получили возможность удерживать электроны около себя. Произошло одно из важнейших событий в эволюции природы – процесс объединения положительных атомных ядер и отрицательных электронов в первые, нейтрально заряженные атомы. Этот процесс – обратный ионизации, называют первичной рекомбинацией химических элементов. Он привел к переходу вещества из плазменного состояния, непрозрачного для электромагнитного излучения, в газообразное. Вселенная стала прозрачной, кванты света (фотоны) получили возможность свободно перемещаться в пространстве, почти не взаимодействуя с веществом. Вселенная, в которой прежде все электромагнитные излучения тотчас поглощались, стала прозрачной для света после рекомбинации. Свет этот, однако, представлял собой только отсветы прежнего горячего газа, испущенные им за мгновение перед рекомбинацией. Эти отсветы – фотоны, избежавшие рассеяния на заряженных частицах и разлетевшиеся во все стороны. Они в виде нейтральных элементарных частиц, преодолевая расширяющееся пространство, до сих пор пронизывают вселенское пространство, в том числе тела людей. Астрономы наблюдают в виде реликтового излучения (фона) те фотоны, которые были направлены в сторону расположения будущей Земли,
Процесс формирования атомных (электронных) оболочек начался с ядер лития, которым, однако, удалось при создавшихся температурных условиях присоединить только по 2 электрона, преобразовавшись в ионы лития (Li+). Для того чтобы стать нейтральными атомами им было необходимо присоединить еще по одному электрону. Продолжающееся остывание создало условия, при которых уже ядра гелия (альфа-частицы) захватили сначала по одному электрону, превратившись в ионизированные атомы гелия (He+), а затем и по второму, образуя нейтральные атомы гелия (He). Когда возраст Вселенной достиг около 200 тыс. лет, практически весь гелий стал атомарным. Через 170 тысяч лет после этого (370 тыс. лет ПБВ) настала очередь протонов (ядер протия) присоединять по одному электрону, превращаясь в атомы водорода. При температуре ниже 3000 кельвинов в основном завершился процесс приобретения протонами электронов, т. е. голых ядер протия (положительно заряженных протонов) осталось лишь 10 % от первоначального объема. К рубежу приблизительно 410 тыс. лет ПБВ голых протонов осталось только 1 %. Нейтральные атомы водорода и гелия больше не могли рассеивать остывшие фотоны, и они пустились в беспрепятственное путешествие по Вселенной. Эти реликтовые кванты, называемые фоновым микроволновым излучением, за прошедшие около 13,8 млрд. лет остыли до 2,725°К (-270,425°C).
Образование атомов первых химических элементов привело к возникновению космической химии – появлению первого химического соединения атомов в молекулу около 400 тыс. лет ПБВ. Таким соединением считается молекула иона гидрита гелия (соединение атома гелия и атома водорода, с одним удаленным электроном – HeH+). Ученые теоретически давно предсказывали этой молекуле данную роль, поскольку в тот период истории Вселенной водород и гелий были практически единственными атомами, созданными первичным нуклеосинтезом. Однако доказательств ее космического существования не было. И вот, в 2019 году астрофизики обнаружили ионизированные молекулы гидрида гелия, в одной из туманностей с помощью спектрального анализа вещества. Это открытие стало важным аргументов в пользу того, что приблизительно в период 400–450 тыс. лет ПБВ в процессе столкновений протона с атомом гелия возникали ионы гидрида гелия и испускались фотоны. Это ионное соединение, называемое так же, как гидрид гелия, считается первым сложным (двухатомным) веществом во Вселенной. Ученые (Рольф Гюстен и ряд других) полагают, что: "Вся химия во Вселенной начиналась именно с гидрида гелия". «Формирование молекулы гелий-гидрид ион имеет примерно такое же значение для эволюции химических процессов во Вселенной, какое имеет для жизни на Земле переход от одноклеточных форм к многоклеточным организмам»[5 - Мнение Дэвида Ньюфельда (David Neufeld), профессора Университета Джона Хопкинса (США), который является соавтором новой научной работы об обнаружении в космосе трудноуловимой молекулы – ион гидрида гелия.] (пояснение под соответствующим номером можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги). Конечно, далеко не все атомы гелия объединились с ядрами водорода в молекулу гидрида гелия.
Вслед за образованием гидрида гелия реализовались реакции с участием атомов водорода и протонов, которые привели к появлению молекулярного водорода. Такое объединение обеспечило стабильность водородного вещества, поскольку атом с одним электроном является нестабильным в условиях космоса. Гигантские облака молекулярного водорода являются основным исходным материалом для формирующихся звезд и галактик. Затем последовали реакции образования гидрида лития и других молекул. Эти химические соединения широко распространились в молодой Вселенной. По мере дальнейшего развития природы в пределах Вселенной вслед за первыми молекулами стали формироваться во все большем количестве и разнообразии более сложные соединения.
Наши космические гиды также преобразовались в нейтральные атомы. Чтобы стать нейтральными атомами водорода (протия), Гидрожену, Оксижену и Нитрожену достаточно было захватить на орбиту своего влияния по одному электрону. Ядра гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум для превращения в атомы гелия присоединили по два электрона. В этом виде они продолжили существовать до определенной поры, неся в себе потенциал встречи с другими элементами, чтобы образовать более сложные природные формы. Похоже, атомы обладали не только свойствами исходного материала для многообразных природных форм, но и каким-то встроенным механизмом обязательной реализации этих свойств.
Появление атомов и первых молекул явилось важным рубежом на пути эволюции природы к человечеству, поскольку тем самым открылись неограниченные возможности формирования всё более сложных природных форм на основе химических соединений. Если бы по каким-то причинам в нашей Вселенной не осуществились реакции синтеза сложных химических соединений, то не появились бы молекулы водорода (Н2), без которых не возникли бы первые звезды. В отсутствии этих звезд не синтезировались бы все химические элементы тяжелее гелия, без которых не появились бы звезды следующих поколений и планеты. Не было бы жизни и человека. Так, что начало химических процессов можно отнести к одному из необходимых событий, без которых не продолжилась бы эволюция природы по направлению к человечеству.
Вещество получило доминирующее положение над излучением. Гравитация, которая до этого не имела никакого влияния во Вселенной, приняла роль ведущей силы. Нейтральные атомы водорода и гелия явились исходным материалом для межзвездного газа и звездных систем.
Спустя 5 млн. лет ПБВ температура Вселенной упала до 600°К, поэтому реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону. В результате космос накрыла беспросветная темнота. Первыми светлыми точками, рассеивающими темноту, стали самые ранние звезды, которые зажглись приблизительно через 100–200 млн. лет после Большого взрыва. Процесс образования первых звезд (звездное население III с нулевой металичностью), в которых происходил синтез элементов тяжелее гелия (в астрофизике, эти элементы называются металлами), был запущен благодаря рекомбинации водорода и гелия, а также содержанию молекул иона гидрита гелия. Звезды населения III состояли в основном из первичного материала (водорода, гелия и гидрида гелия) и в значительной части, были очень массивными, что способствовало быстрому использованию водорода на синтез гелия. Поэтому они уже давно прекратили свое существование. За относительно короткое время своего ядерного горения они успели синтезировать комплект химических элементов вплоть до железа. После прекращения ядерных реакций эти звезды взрывались в форме сверхновых звезд, что приводило к разбрасыванию по Вселенной всех произведенных элементов. Первые массивные звезды преобразовались в самые ранние, суперплотные объекты гравитационного происхождения – черные дыры и квазары. На следующем этапе эволюции вещество Вселенной начало концентрироваться в ранних формах галактик и газопылевых туманностей.
Следующее, второе поколение звезд (население II) сформировалось из газопылевого материала звезд первого поколения. Эти звезды имели уже более высокое содержание тяжелых элементов, чем у своих предшественников, но их металичностью оставалась еще малой. Среди звезд второго поколения сформировались как маломассивные, так и очень крупные объекты. Самые массивные звезды второго поколения прошли весь свой эволюционный путь, создав очередные порции тяжелых элементов и разбросав их в межзвездной среде. Это обеспечило условия для появления звезд третьего поколения (населения I), включая Солнце, которые в своем составе содержат максимальное на сегодня количество металлов.
Те звезды, которые имеют малую массу, обеспечивали условия для медленного темпа термоядерных реакций и, соответственно, для длительного их существования. Они излучают энергию до сих пор во многих галактиках, включая нашу. Например, новые наблюдения астрономов выявили в нашей Галактике одну из первых звезд во Вселенной, существующую до сих пор, несмотря на возраст около 13,5 млрд. лет. Масса этой звезды – небольшая, немного превосходящая необходимую для начала ядерной реакции синтеза гелия. Открытие этой звезды в Галактике свидетельствует о появлении первых звезд не позже 300 млн. лет ПБВ, а также о возникновении нашей Галактики Млечный путь около 13,5 млрд. лет. Атомы гелия – Карбовеж, Карбомал, Флюор, Ферум и атомы водорода – Гидрожен, Нитрожен и Оксижен не участвовали в начале формирования Млечного пути, поскольку в течение около 1,8 млрд. лет (от ~ 13,51 млрд. л.н. до 11,7 млрд. л.н.) находились на значительном удалении – в межзвездном пространстве.
Наши космические гиды за этот продолжительный период межзвездного путешествия стали свидетелями эволюции состава, объектов и структуры Вселенной. Химические элементы, известные нам по таблице «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева», представляют обычное, видимое вещество, доля которого около 4 % от всей материи Вселенной. Видимым оно называется потому, что объекты из этого вещества человек может видеть непосредственно (видимый диапазон электромагнитного излучения) или наблюдать с помощью специальных приборов (различных антенн, телескопов). Обычное вещество во Вселенной находится в основном в трех видах: 1- плазмы, состоящей из ионизированных атомов с различной плотностью и температурой; в таком состоянии пребывают звезды с их оболочками, некоторые оболочки планет, газовые туманности, космические лучи – потоки элементарных частиц, в первую очередь, электронов и протонов разных энергий. Кроме того, в космических лучах выявлены также атомные ядра с низкой массой (гелий, углерод и кислород) и более тяжелые ядра (неон, магний и кремний); 2- разнообразных химических соединений в твердом, жидком или газообразном состоянии при сравнительно низкой температуре; химические соединения слагают планеты, астероиды, метеориты, кометы, пылевые туманности; 3- сверхплотного вещества, находящегося в белых карликах, нейтронных звездах, а также в таких космических объектах, как: ядра планет, черные дыры, образованные за счёт гравитационного коллапса (сжатия, схлопывания) крупной звезды или в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной. Доподлинно не известно, что происходит со структурой атомов в таком веществе. В последнее время предложена гипотеза, согласно которой вещество в таких объектах «раздавлено» до кварков – составных частиц атомных ядер. Кварки в этом состоянии распределены по отдельным капелькам, которые получили название «страпельки». Каждая страпелька содержит по три кварка разного сорта («верхние», «нижние» и «странные»), что отличает ее от обычного протона или нейтрона, которые состоят из трех кварков двух сортов («верхние», «нижние»).
Состояние вещества, так же, как и его химический состав, тесно связаны с процессом эволюции звезд, планет и других космических тел во Вселенной. Основная масса обычного, барионного вещества сосредоточена в межзвездном газе и пыле (3,6 % массы Вселенной). На звезды и прочие концентрированные формы видимого вещества, включая земную жизнь, приходится только 0,4 %.
Современные модели Вселенной исходят из того, что главными её компонентами являются темная энергия (энергия вакуума) 74 % (по другой версии 73 %) и темное вещество 22 % (23 %). Темное вещество – холодное, возможно представлено гипотетическими, слабовзаимодействующими массивными частицами – вимпами (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP) или легкими слабовзаимодействующими частицами – виспами (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Физики предлагают на эту роль стабильную незаряженную частицу – аксион.
Дополнительно к этим представлениям, недавно появились сведения о разработке новой гипотезы, которая предполагает, что темное вещество и темная энергия существуют в некоем единстве. Это вещество-энергия, возможно, представляет собой жидкость с отрицательной массой. Новые представления хорошо объясняют известные проявления этой особой формы существования материи, которую называют тёмной потому, что она практически не взаимодействует с обычным веществом, включая свет. Потому трудно поддается изучению. О существовании темного вещества-энергии свидетельствуют только эффекты их гравитационного влияния на видимые объекты. Понятия «темная энергия и темное вещество» придуманы учеными для того, чтобы объяснить наблюдаемое образование, распределение, а также эволюцию галактик и их скоплений. По современным представлениям галактики являются сгустками темного вещества, звезд и обогащенного металлами газа. Стабильность галактики обеспечена тем, что относительно маломассивные объекты из обычного вещества погружены в огромное облако, гало темного вещества с огромной суммарной массой. При такой структуре галактика представляет собой довольно стабильную природную форму, в которой звезды и галактический газ находятся в равновесии.
Большинство специалистов полагает, что вся масса темного вещества образовалась на одной из первых, горячих стадий зарождения Вселенной одновременно с появлением плазмы из электронов, барионов (кварков, протонов, нейтронов и др.) и фотонов. Взаимодействие компонентов плазмы приводило к формированию других частиц. Расширение Вселенной и охлаждение плазмы прекратило генерацию новых частиц и привело к слиянию частиц в атомы. Темные частицы в самом начале распределились неравномерно. Первые неоднородности темного вещества постепенно комковались в протогалактические скопления. Эти невидимые гигантские объекты своей мощной гравитацией стягивали на себя атомы водорода и гелия, а также все частицы, обладающие массой. Атомы обычного вещества вместе с темным веществом образовали огромные космические структуры – галактики, в которых зажигались первые звезды. Между галактиками простирается обширнейшее межгалактическое пространство. Межгалактическая среда является, практически, абсолютным вакуумом. Но в то же время она включает весьма разреженный газ и пыль (плотностью около 1 атома на 1 м3), космические лучи, нейтрино, кванты электромагнитного излучения (главным образом, реликтового) и другие виды материи. Межгалактический газ вдали от галактик представлен главным образом ионизированным водородом. Возникает вопрос, что явилось причиной его ионизации, ведь во время первичной рекомбинации все химические элементы стали нейтральными атомами? Специалисты объясняют ионизацию межгалактических элементов воздействием излучений первых квазаров и молодых галактик в эпоху их образования. Поскольку плотность газа и пыли здесь – очень низкая, то они еще не успели рекомбинировать и остались в значительной части ионизированными. Только в окрестностях галактик и их скоплений существуют облака нейтрального водорода. Температура между галактиками оценивается в 2,73°К (-270,42° C). Участками межгалактическое вещество прогревается до десятков миллионов градусов мощными потоками энергии от сверхмассивных черных дыр, а также разлетающимися оболочками от сверхновых звезд и другими факторами. Значительная часть межгалактического газа была выброшена из галактик. В нем выявлены кроме водорода, также атомы гелия, углерода, азота, кислорода, серы, различных металлов. Межгалактический газ и пыль могут концентрироваться в облака. Галактики связаны между собой разреженной плазмой, имеющей волокнистую структуру, плотностью выше средней плотности Вселенной. Галактики, их группы, скопления и сверхскопления, как и межгалактическое пространство, погружены в темную энергию расширяющейся Вселенной. Вселенная расширяется с ускорением благодаря темной энергии. Галактики в скоплениях гравитационно связаны, поэтому пространство между ними не расширяется.
Вещество в галактиках распределилось на множество газовых облаков. Сжатие вещества в каждом газовом облаке привело к образованию гигантских, вращающихся, преимущественно водородных шаров. Давление внешних слоев шара привело к возникновению в его недрах огромных давлений и температур, при которых начались термоядерные реакции, запустившие звездный нуклеосинтез. Синтез тяжелых элементов сопровождается выделением огромной энергии. Начало излучения этой энергии в космос означает рождение звезды, которая будет полыхать энергией до тех пор, когда в её недрах закончится исходное топливо для синтеза тяжелых элементов.
Звезды подобно ядерным топкам или химическим фабрикам синтезировали из первоначальных, самых легких химических элементов (водорода и гелия) более тяжелые атомы, высвобождая в качестве побочного продукта невообразимо большую энергию, которая поддерживала ядерное горение звезды и мощно излучалась в космическое пространство. Это излучение позволяет нам видеть далекие звезды и их скопления. Состав первых и современных звёзд представлен в основном водородом – самым легким химическим элементом, который является самым распространённым элементом во Вселенной. Несмотря на близость состава звезд, все они весьма разнообразны по другим своим характеристикам. Природа обладает фантастической многовариантностью, неповторимостью каждой формы своего существования. Среди миллиардов звезд не найдено двух подобных. Разнообразие типов звёзд и соответственно реакций звёздного нуклеосинтеза приводит к тому, что каждая звезда содержит разный набор химических элементов и/или особое соотношение их. Любая звезда возникнув, синтезирует в своих недрах, прежде всего ядра гелия из водорода. Относительно некрупные, солнцеподобные звезды способны формировать только гелий и углерод. В отличие от них, в недрах звезд-гигантов достигаются такие высокие температуры, при которых после образования гелия и углерода синтезируются ядра более тяжелых элементов вплоть до алюминия и кремния. При температуре выше 30 млрд. °К в реакцию вступают ядра ещё тяжелее, начиная с кремния. В этих условиях синтезируются стабильные элементы вплоть до железа. Постепенно в звезде формируются слои из различных элементов. Ядерный синтез происходит с ускорением до фазы генезиса железа. Всё железо синтезируется уже в течение нескольких часов. Для синтеза более тяжелых элементов температурные и барические условия даже в гигантских звездах оказываются недостаточно жёсткими. Атомы железа не продолжают ядерный синтез. Железо концентрируется в центральной части такой звезды. Затухание ядерных реакций означает прекращение восходящего потока энергии из ядра звезды, противодействующего сжатию звезды. Силы, расширяющие звезду изнутри, становятся меньше сил гравитации, стремящихся сжать звезду. Огромная масса всех оболочек звезды под воздействием гравитации катастрофически быстро обрушивается к её центру. Звезда с увеличивающейся скоростью сжимается. Огромное значение плотности вызывает толчок (отдачу) для взрыва неимоверной силы, называемого вспышкой сверхновой звезды. Этот взрыв избавляет исходную звезду от избыточной массы. Вещество оболочек звезды выбрасывается в космическое пространство.
Зависимость образования звездных химических элементов от массы звезды и характера её эволюции характеризуется следующим образом. Звезды малой массы (менее 1,4 солнечной) после расхода всего топлива на ядерные реакции расширяются, излучают красный свет и постепенно сбрасывают в окружающий космос свои оболочки. На этом этапе эволюции они существуют в форме красных гигантов. Оставшиеся ядра (около 50 % первоначального объема звезды) сжимаются, нагреваются и освещают ультрафиолетом выброшенные газы. В этом виде они являются белыми карликами размером с Землю. В нашей Галактике обнаружено около 400 тыс. белых карликов.
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 - Изомеры – хим. соединения, имеющие одинаковый хим. состав и молекулярную массу, но различающиеся строением молекул, физ. и хим. свойствами. Свойства изомеров зависят в основном от структуры внешней электронной оболочки. Изомер, несмотря на одинаковые составляющие атомы, имеет отличающийся от основной молекулы запах, другой вкус, другой цвет, другие реакции.]. 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.
Солнечная система характеризуется многими особенностями, отличающими её от других выявленных планетных систем Млечного пути. Очень важной особенностью является присутствие четырех каменистых планет в зоне обитаемости планетной системы[7 - Зона обитания для звезды – пространство вокруг звезды, в котором существуют планеты с поверхностными условиями, обеспечивающими беспрерывное существуют воды в жидкой фазе на протяжении, по крайней мере, нескольких сотен миллионов лет. Для достижения высокой степени развития жизни продолжительность блпгоприятных условий должна составлять, вероятно, не менее 3–4 млрд. лет.] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги) или вблизи неё, а также существование массивного Юпитера на значительном расстоянии от Солнца, который существенно менял свою орбиту на протяжении истории планетной системы. Наличие и эволюция Юпитера стали одними из решающих факторов формирования Земли в зоне обитаемости планетной системы.
В зоне галактической обитаемости находятся много звездных систем, но условия на планетах этих систем значительно отличаются от солнечной системы. Потому, что многие звезды не сформировали вокруг себя зоны обитания. Например, самые распространенные звезды в Галактике, да и во всей Вселенной – красные карлики, практически не имеют планет. Довольно много экзопланет вращаются вокруг двойных звезд, что отличает эти звездные системы от Солнечной. Как правило, экзопланеты расположены очень близко от своих звезд, т. е. даже ближе, чем Меркурий находится от Солнца. На поверхности Меркурия температура достигает 430°C. В таких условиях не может быть речи о жидкой воде. Большинство из выявленных экзопланет является газовыми гигантами, похожими на Юпитер или ледяными планетами, т. е. не пригодными для обитания. Правда, по мере совершенствования методов обнаружения экзопланет доля планет похожих на Землю, скорее всего, будет возрастать. В настоящее время ученые прогнозируют в нашей Галактике около 300 миллионов экзопланет в зонах с благоприятными условиями для существования жидкой воды, а, следовательно, для зарождения жизни. Однако не только температурные условия определяют жизненный потенциал той или иной планеты, но и многие другие факторы. Эволюция Земли показала, что жизнь – весьма устойчивая природная форма, но, в то же время, очень зависимая от многих условий окружающей среды.
Время и место возникновения Солнечной развилки эволюции Галактики определилось приблизительно через 8,7 млрд. лет после Большого взрыва, т. е. около 5 млрд. л.н., когда сформировалось массивное, плотное газопылевое облако в Галактической нити Персея-Пегаса. Более точный адрес места формирования Солнечной системы: комплекс сверхскоплений Рыб-Кита, местная группа галактик, галактика Млечный Путь, рукав Ориона. Это облако массой около 10 масс Солнц состояло из молекул водорода и гелия, а также небольшой доли тяжелых элементов. Около 4,6 млрд. л.н. это массивное протосолнечное скопление молекулярной пыли и газа, вращающееся и летящее в галактическом пространстве, подверглось воздействию ударной волны от вспыхнувшей неподалеку сверхновой звезды под названием Матернитэ. Всё облако получило дополнительный импульс для уплотнения и подверглось гравитационному коллапсу (резкому сжатию). Взрыв сверхновой звезды не только явился триггером для начала формирования Солнечной системы, но внедрил в облако комплекс своих тяжелых и сверхтяжелых химических элементов, без которых Земля либо вовсе не образовалась бы, либо имела иной состав, не благоприятный для зарождения и эволюции жизни. Важнейшим вкладом сверхновой звезды в состав будущей Солнечной системы явился, прежде всего, набор сверхтяжелых элементов от кобальта до урана. Эти весьма тяжелые атомы наряду с полным комплексом химических элементов от водорода до железа были задействованы в конструировании нашей звездно-планетной системы и в процессе создания бесчисленного мира живых организмов на Земле.
Газопылевое протосолнечное облако представляло собой, по существу, пространство, заполненное двухатомными молекулами водорода (73 % – H2) и одноатомными молекулами гелия (25 % – Не). Доля всех тяжелых элементов составляла лишь 2 %. Самыми распространенными тяжелыми элементами являлись: кислород, углерод, неон, азот, железо, магний, кремний, сера, аргон, алюминий, никель, натрий и кальций. Все остальные элементы таблицы Менделеева присутствовали в газопылевом облаке в очень малых количествах. Среди газообразных молекул лишь изредка встречались тяжёлые химические элементы в форме различных микроскопических пылеобразных минеральных соединений. Пылевые гранулы состояли преимущественно из смеси разных силикатов (H2SiO3, Na2SiO3, H4SiO4 и др.[8 - В тексте приводится немало химических формул с целью показать, насколько сложными бывают не только молекулы живых существ, но также неживые минералы. Кроме того, формула указывает на место расположения наших атомных гидов в той или иной молекуле.]), графита (C) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которые, по одной из гипотез, занимают определявшее место в происхождении жизни (в создании цепочки РНК). Многие минералы сформировались уже в протосолнечном газопылевом диске, но определенная часть соединений была создана ещё в межзвездном пространстве в результате деятельности и гибели звезд первого и второго поколений. В межзвездном космосе атомы и молекулы движутся на значительном удалении друг от друга. В период долговременного одиночного путешествия они заряжаются большой энергией за счет поглощения электромагнитного излучения (фотонов – света). Поэтому при встрече такие, «высокоэнергетичные» молекулы были способными образовать экзотические соединения, которые не могут возникнуть в земных условиях. Продолжительная деятельность природной Галактической химической лаборатории обеспечила будущую Солнечную систему не только полным набором атомов, но также многими соединениями разной сложности, которые направили эволюцию Земле по траектории к зарождению и развитию жизни.
Например, в протосолнечное облако попали такие собранные из межзвездного пространства, тугоплавкие минералы ранних звезд, как: алмаз (С)[9 - Для того, чтобы понимать из каких элементов состоят минералы, после их названий приведены химические формулы.], лонсдейлит (одна из полиморфных модификаций углерода), карбид кремния (соединение кремния с углеродом – SiC). Кроме того: нитрид кремния (кремний с азотом – Si3N4), оксиды алюминия (корунд – Al2O3) и титана (Ti3O), оливин (MgFeSiO4), пироксен ((Mg, Fe, Ca) Si2O6), полевой шпат ((K, Na) AlSi3O8). В планетеземали, содержащих эти минералы, присутствовали также примеси фосфатов кальция (Ca SO4), сульфида железа (FeS), самородных железа и никеля. Кроме того, исходное вещество для Солнечной системы было обогащено такими молекулами, как: вода (H2O), монооксид углерода (CO) и циановодород – бесцветный, очень ядовитый газ (HCN) и другими. Особое внимание обратим на недавно открытое в нашей и соседней галактике, весьма интересное соединение – Фуллерен – молекула в форме полого выпуклого многогранника из шестидесяти и более атомов углерода. Эта комбинация атомов в газообразной и твёрдой фазе напоминает покрышку футбольного мяча. Вполне возможно, что фуллерены участвовали в формировании пребиотических предков первых живых организмов. Ведь они обладают весьма прочной и долговечной конструкцией и способны транспортировать сложные органические молекулы.
Природа экспериментальным путем выбрала углерод для формирования живых существ потому, что только этот элемент способен формировать неисчислимое разнообразие молекул с крупнейшими размерами. Уже в протопланетном диске Солнечной системы образовалось значительное количество таких сложных[10 - Самой сложной молекулой в природе является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), в которой кодируется геном организма. Молекулярный вес её достигает миллиардов, длина в развернутом виде составляет до 3 см.] молекул, как: 1- муравьиная кислота (CH2O2), которую земные формы жизни активно используют для синтеза более сложных карбоновых кислот; 2- метанол (CH4O – простейший одноатомный спирт) и 3- формальдегид (CH2O – бесцветный органический газ). Наличие сложных углеводородов вне Земли показывает, что неживая и живая природа находятся в тесном единстве. Периодическая химия создала предпосылки для появления биотической химии. Конечно, для протекания химических реакций, создавших живые объекты, необходимы особые условия, возникновение которых потребовало от природы реализовать множество самых разных вариантов эволюции природы. Например, Земной маршрут эволюции природы характеризуется неустойчивостью большинства космических органических соединений. Особые геологические и геохимические условия на нашей планете преобразовали органические вещества космического происхождения и создали углеродные агрегаты, специфичные только для Земли. На Земле эволюция природы привела к зарождению жизни и её развитию до человека современного типа благодаря последовательному выстраиванию череды множества эволюционных поворотов (развилок). Читателю предоставлена возможность ознакомиться с 47 главными развилками эволюции природы, приведшими к возникновению разумной формы материи.
Сжатие вращающегося газопылевого облака преобразовало его в диск, в котором сформировался центральный быстро крутящийся и уплотняющийся сгусток вещества – протозвезда. Мощное поле гравитации протозвезды стянуло на нее почти всю массу-энергию протосолнечной системы. Считается, что около 99,8 % массы химических элементов всего диска сконцентрировалось в прото-Солнце. Планеты и спутники Солнечной системы образовались из остатков вещества.
Вещество центральной протозвезды в течение приблизительно одного миллиона лет сжалось до такой степени, при которой произошел гравитационный коллапс[11 - Гравитационный коллапс – катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил.]. В результате катастрофического сжатия в недрах протозвезды возникли термоядерные реакции синтеза гелия из водорода с выделением огромной энергии. Начало излучения этой энергии, сравнимое с взрывом неимоверно мощной водородной бомбы, означало возникновение нашего Солнца. Для нашей Галактики образование новой звезды 4,571 (4,568[12 - Вскоре после вспышки Солнца образовались кальций-алюминиевые соединения, имеющие возраст 4568 млн лет, который почти соответствует времени появления Солнечной системы.]) млрд. л.н. явилось всего лишь очередным вариантом в череде великого множества других «проб» создания разных звездных систем. Вспышка Солнца продолжила маршрут эволюции природы по направлению к появлению планеты Земля и возникновению человечества. Назовем начало образования Солнечной системы Солнечной развилкой эволюции Галактики на пути к человеку разумному. По подсчетам ученых, Солнце является представителем третьего поколения звезд от момента Большого взрыва, о чем уже отмечалось выше. Напомним, что предшествующие поколения звезд готовили тяжелые элементы в разнообразии и количествах, необходимых для возникновения в определенном месте Вселенной Земли, способной родить и развить жизнь до человека.
На разном удалении от вспыхнувшего Солнца создались отличающиеся температурные, радиационные и прочие условия, что обусловливало зональное образование специфических новых минералов и такое же распределение ранее прибывших соединений. Соответственно, планетеземали – исходные компоненты планет, сформированные на разном удалении от Солнца, различались как фазовым, так и химическим составом. Остатки вещества в протопланетном диске, после сбора протозвездой всего газа и пыли в её ближайшем окружении, сгруппировались во множество слоев-колец. Причем вещество колец, расположенных ближе к Солнцу, значительно прогревалось, что приводило к дегазации пылинок. Значительная часть газа отсюда выдавливалась звездным излучением в периферийную область протопланетного диска. Поэтому в составе ближайших к Солнцу газопылевых колец доля пыли значительно превышала газовую составляющую. Такая обогащенность тяжелыми минеральными частицами внутренней области диска обусловила формирование четырех твердых планет земной группы вблизи Солнца (Меркурий, Венера, Земля, Марс). В этой области кислород (O), кремний (Si) и натрий (Na) объединились в многочисленные пылинки минералов, называемых безводными силикатами (например, Na2SiO3 и др.). Силикаты послужат основой горных пород, из которых состоит земная кора. Образованные здесь углистые хондриты (графит, сажа, органические соединения и др.) содержали воду в значительных количествах, а также заключали силикаты с большой долей железа (прежде всего, оксида железа – магнетита – Fe3O4). Во внутренней области протопланетного диска были сосредоточены многие органические вещества, например, цианоацетилен (HC3N), ацетонитрил (CH3CN), циклопропенилиден (c-C3H2) и другие, вплоть до аминокислот, а также вышеупомянутые ПАУ. В этой области проявилось неполное окисление железа. Вещество более удаленных от Солнца газопылевых колец оказались более окисленным. Конечно, весь этот, достаточно обширный перечень химических соединений представлял очень малую долю в протосолнечном облаке. Всё же, даже такое небольшое количество разнообразных веществ обеспечило формирование Земли с её уникальным составом и со всеми живыми организмами на ней.
В слоях-кольцах, удаленных от Солнца, было очень холодно, что привело к намерзанию газа на пылинках. Этот газ, наряду с большим объемом выдавленного водорода и гелия из окружения Солнца, создали условия для формирования здесь планет иного типа – газовых гигантов (Юпитер, Сатурн).
Тепло от Солнца прогрело вещество протопланетного диска. Для каждого кольца были характерны свои температуры, зависящие от удаления их от звезды. Вещество колец, прогретых свыше 2 000°C, испарилось и переместилось на более удаленные орбиты. На удалении более 8 млн. км от Солнца пониженные температуры позволили металлам и минералам затвердеть, но вода и ряд других веществ находились в жидком или газообразном состоянии. Эта внутренняя часть Солнечной системы простирается до «линии снега», границы, за которой вода, метан и аммиак существуют в твердой фазе – форме льда. Эти соединения водорода являются самыми распространенными веществами Солнечной системы, особенно вода.
Молекулы газа, пылинки, кристаллы льда в кольцах вокруг Солнца постепенно притягивались друг к другу, образуя каменные обломки и куски льда. По мере вращения по своим орбитам вокруг Солнца более крупные тела притягивали мелкие, превращаясь в каменные или ледяные глыбы размером приблизительно от 1 до 1,5 км – планетеземали. Через несколько миллионов лет из планетеземалей сформировались протопланеты – основа будущих планет. Довольно хаотичное движение протопланет приводило их к частому столкновению, в процессе которого одни разрушались, а другие наращивали массу.
Первой планетой Солнечной системы стал газовый гигант Юпитер приблизительно 4,55 млрд. лет назад. Юпитер по химическому составу очень сходен с Солнцем. Этой огромной планете не хватило совсем немного массы для того, чтобы зажечь термоядерную реакцию в ядре и превратиться в звезду подобную Солнцу. Если бы в распоряжении Юпитера оказалось чуть больше исходного газопылевого материала, то на месте этой планеты вспыхнула бы вторая звезда в нашей Солнечной системе. Впрочем, в таком случае эта двойная звездная система не была бы нашей, так как высокая температура на Земле испарила бы всю воду, и не было бы человека на ней. Вокруг Юпитера подобно звездной системе вращается 79 спутников, среди которых – такая интересная минипланета, как Европа, под ледяной оболочкой которой расположен океан жидкой воды. Юпитер образовался на достаточно удаленном расстоянии от Солнца. Сначала скомпоновалась суперземля – каменная планета массой превышающей нескольких масс Земли. Огромная масса твердой протопланеты притянула к себе все ближайшие протопланеты и весь газ, окружающий её орбиту в пределах своего слоя-кольца. В конечном счете, Юпитер расчистил от протопланетного вещества широченное кольцо в диске Солнечной системы. Возникла замерзшая гигантская газовая планета, внешние оболочки которой представлены в основном молекулярным и металлическим водородом, а ядро сложено тяжелыми элементами, вероятно, в плазменном состоянии.
Немного позже шло формирование соседней планеты Сатурн, которая собрала все вещество с обширного пространства, прилегающего к её орбите. Получился второй по величине замерзший газовый, преимущественно водородный гигант в Солнечной системе. Эти два планетных монстра вобрали в себя 92 % вещества, оставшегося после образования Солнца. В периферийной области диска Солнечной системы образовались две другие холодные планеты меньшего размера – Уран и Нептун, состоящие преимущественно из водорода, гелия и метана. Внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун состоят из водорода, гелия, метана, аммиака и других газов. Кроме того, в их атмосферах содержатся сложные молекулы. Предполагается существование твердого ядра у этих планет.
Внутренняя часть протопланетного диска оказалась значительно беднее газом, чем внешняя зона. Поэтому здесь образовались каменно-металлические планеты: Меркурий, Венера, Земля, Тея и Марс. Поверхностные слои планет земного типа (включая Луну) образованы твердыми силикатными, алюмосиликатными, карбонатными и другими минералами. Внутри этих планет находится ядро из более тяжелых пород, содержащих элементы с большой атомной массой. Меркурий содержит ферромагнитное ядро и обладает сильным магнитным полем. Общее количество металлического железа, по некоторым данным, в Меркурии составляет около 58 %. Венера и Марс, как и Земля, имеют железные ядра. На Венере много карбонатов, термическое разложение которых привело к накоплению диоксида углерода в атмосфере этой планеты. Размеры этих планет получились довольно скромными по сравнению с газовыми гигантами внешней части системы, поскольку для их формирования в ближних к Солнцу протопланетных кольцах осталось совсем немного вещества. Для завершения формирования внутренних планет потребовалось в десять раз больше времени, чем для образования внешних планет. Только приблизительно через 75 миллионов лет после образования Солнца завершилось строительство Солнечной системы. Однако эволюция системы почти сразу приняла революционный характер. Планета Тея, мчащаяся вокруг Солнца по орбите очень близкой к Земному пути, в конечном счете, столкнулась с более массивной Землей. Из обломков Теи и вырванной части Земли около 4,48 миллиарда л.н. образовался спутник Земли – Луна. После появления Луны Земля приобрела самую надежную стабильность среди всех внутренних планет (земного типа).
Осталось не собранным в планету множество астероидов на орбите между Марсом и Юпитером. Произошло это по той причине, что сильная гравитация Юпитера перемешивает, сталкивает астероиды, не позволяя им собраться в одно космическое тело. За орбитой Нептуна расположено еще одно кольцо астероидов – пояс Койпера. В этом поясе огромное количество каменных обломков и ледяных глыб расположены на большом расстоянии друг от друга, что исключает их аккрецию (соединение) в планету.
На внешней, гравитационной границе Солнечной системы расположена гипотетическая сферическая область – облако Оорта – остаток исходного протопланетного диска, который сформировался вокруг Солнца около 4,6 миллиарда л.н. Объекты облака Оорта состоят преимущественно из водяных, аммиачных и метановых льдов. Они вращаются вокруг Солнца по очень вытянутым эллиптическим или параболическим орбитам и служат источником долгопериодических комет.
Через 50 миллионов лет после образования Солнечной системы Юпитер вошел в резонанс с Сатурном, что привело к мощному гравитационному катастрофическому событию – смене орбит многих планет. Тяжелее всего пришлось Нептуну и Урану, которым пришлось поменять орбиты. В результате этого гравитационного воздействия основная масса космических тел из пояса астероидов и пояса Койпера вылетели из своих орбит за пределы Солнечной системы, но часть их устремилась во внутренние части системы. Земля, Луна, Меркурий, Венера и Марс в период от 4,1 до 3,8 миллиарда л.н. практически непрерывно подвергались мощным атакам метеоритов и астероидов различной величины[13 - На юго-западе Алжира упал метеорит (названный EC 002), который образовался где-то на просторах Солнечной системы 4,565 миллиарда лет назад. Он представляет собой образец лавовой породы, сформированный в условиях некой древнейшей планеты. Этот метеорит указывает на то, что уже в начальный период существования нашей системы кроме известных планет появились достаточно крупные планеты, в недрах которых происходили активные процессы расплавления вещества и его излияния на поверхность. В результате столкновения таких космических объектов образовалось множество крупных астероидов, мелких обломков или тончайшей пыли, часть которых до сих вращаются вокруг Солнца и постоянно падают на Землю и другие планеты, наращивая их объемы.]. Этот катастрофический период эволюции Солнечной системы назвали поздней тяжелой бомбардировкой, максимум которой случился приблизительно 3,9 млрд. л.н. В результате на Землю дополнительно поступило много минерального материала и воды. Поздняя бомбардировка значительно перепахала поверхность Земли, испарила миллионы тонн воды, способствовала повышению влажности атмосферы и скорости перемещения воздушных и водных масс.
Солнечная система несётся сквозь Млечный путь по круговой орбите на расстоянии 26 тысяч световых лет от центра со скоростью приблизительно 230 км/с. Путь Солнечной системы, а значит и Земли, вокруг центра Галактики составляет около 230 миллиона лет. Таким образом, наша планетная система за время своего существования совершила около 20 оборотов вокруг Стрельца А – высокоплотного объекта, сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного пути. Под влиянием гравитации центрального галактического балджа движение Солнца по орбите имеет волнообразный характер, благодаря которому Солнце периодически оказывается то с одно, то с другой стороны галактической плоскости. Каждые приблизительно 29–30 миллионов лет Солнечная система пересекает галактическую плоскость. Наша планетная системы в каждом положении орбиты испытывает определенное воздействие окружающих космических тел, которое вызывает какие-то реакции Солнца, планет и других объектов. Например, предполагают, что в определенном, повторяющемся положении системы в Галактике, облако Оорта повышает частоту «обстрела» кометами Земли. Встречи комет с Землей могли стать спусковыми моментами череды глобальных планетарных событий, обусловливающих массовые вымирания живых организмов. Немало научных трудов свидетельствуют о высокой вероятности влияния галактических факторов на ход эволюции земных живых организмов. Понятно, что в ином галактическом положении наша планета была бы иной. Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду. Чем дальше от Солнца располагается планета, тем медленнее она вращается вокруг центра Солнечной системы.
По мере увеличения знаний о строении и истории Солнечной системы нарастает уверенность специалистов в уникальной предрасположенности нашей звездной системы к появлению и развитию жизни. Прежде всего, следует отметить, что орбита Солнечной системы удачно проходит в средней части «зоны обитаемости» нашей Галактики. Для Млечного Пути эта зона удалена от галактического центра на расстояние приблизительно двух третей радиуса Галактики. На большем расстоянии от центра Галактики звезды и планеты бедны тяжелыми химическими элементами, что не приемлемо для жизни. Космические тела, расположенные ближе к ядру галактики, подвергаются сильнейшему неблагоприятному воздействию черных дыр, которые там находятся.
Солнечная система сформировалась в одном из самых безопасных мест Млечного пути – во внешних регионах, в которых приблизительно 6 миллиардов л.н. происходило меньше всего вспышек сверхновых звезд и гамма-всплесков. В то же время, в отличие от других подобных мест район образования нашей системы, к нашему счастью, оказался не совсем спокойным. Земля подвергалась достаточно регулярным воздействиям вещества и энергии от взрыва сверхновых звезд, что вызывало многочисленные глобальные вымирания земных организмов и стимулировало рост многообразия живой природы. Эволюция жизни в таких условиях привела к появлению современного человека. Так что, Солнечная система с нашей планетой появилась в нужном месте и в благоприятное время для зарождения и эволюции жизни.
Удачной предрасположенностью Солнечной системы к ее обитаемости было также то обстоятельство, что её планеты вращаются вокруг достаточно молодой звезды (возрастом около 4,6 млрд. лет), с относительно небольшой массой. Малая масса Солнца позволяет ей существовать продолжительное время, около 20 млрд. лет. Если бы наша звезда имела массу больше, то она, спустя несколько десятков или сотен миллионов лет после своего возникновения (в зависимости от массы) успела бы реализовать термоядерные реакции и взорвалась бы, превратившись в нейтронную звезду или черную дыру. Этого времени просто не хватило бы для появления жизни и её эволюции до разумных существ. Человечеству повезло также в том отношении, что начальная светимость Солнца была благоприятной для появления на Земле жизни вскоре после образования планеты (около 70 % от современной светимости). Так, если бы начальная светимость была выше реальной, то парниковые газы в атмосфере планеты привели бы к перегреву земной поверхности и исчезновению воды. Эволюция Земли пошла бы по пути Венеры. В случае если бы начальная светимость Солнца была меньше существовавшей, то с большой вероятностью реализовались бы все рассматриваемые развилки эволюции нашей планеты, однако они происходили бы с задержкой на 1,5–2 млрд. лет. При таком варианте эволюции человечество появилось бы еще не скоро. Солнце является стационарной звездой, которая мало меняет свою светимость в течение миллиардов лет. Поэтому эволюция земной жизни имела возможность на протяжении последних 4 млрд. лет пройти маршрут от первых живых клеток до человека разумного.
Следующим необходимым фактором обитаемости звездной системы выступает наличие планеты на таком расстоянии от звезды, которое обеспечивает присутствие на ней жидкой воды на протяжении нескольких миллиардов лет. Кроме того, эта планета должна иметь размеры, позволяющие ей генерировать в недрах и выдавать на поверхность тепло на протяжении не менее 5–6 млрд. лет. В Солнечной системе звезда и планета Земля подходят под перечисленные критерии. Ученые оценили, что земное ядро будет излучать тепло еще около одного миллиарда лет. Спустя этот срок произойдет сильнейшее охлаждение Земли, что приведет к исчезновению её магнитного поля. На этом рубеже уж точно прекратится жизнь на нашей планете.
