Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Хейзен Роберт

Остальные химические новинки, к которым относится б'oльшая часть тяжелых элементов Периодической таблицы, появляются как удивительные отголоски взрывов сверхновых. В процессах, которые только сейчас становятся понятными, гравитация захватывает часть остатков каждой сверхновой и образует из них странные плотные звездоподобные объекты. Если эти остатки тяжелее нашего Солнца примерно раза в три, то образуется черная дыра – объект настолько массивный, что он сжимается в точку, откуда ничего, даже свет, не может вырваться.

Если остатки сверхновой составляют одну-две массы Солнца, итоговый гравитационный коллапс порождает другой объект – нейтронную звезду, в которой протоны

и электроны сталкиваются друг с другом, формируя сверхплотное скопление нейтронов. Нейтронная звезда, вдвое превышающая по массе наше Солнце, сжимается в объект диаметром всего несколько километров. Принимая во внимание широкое рассеивание атомных частиц после единичного взрыва сверхновой, вполне можно ожидать образования двух нейтронных звезд. Получившаяся в результате нестабильная конфигурация двойной звезды в конечном счете приводит к еще одной космической катастрофе – событию, когда сталкиваются две нейтронные звезды. Это событие называется «килон'oвая». Итоговое слияние ядерных частиц происходит с такой интенсивностью, что из этого хаоса возникает почти вся Периодическая таблица элементов.

Последствия ошеломительны. В итоге таких космических катастроф появляются основные химические элементы тяжелее железа – драгоценные золото и платина, практичные медь и цинк, ядовитые мышьяк и ртуть, высокотехнологичные висмут и гадолиний. Каждый атом этих элементов, обнаруженный здесь, на Земле, прибыл сюда после распада массивных звезд. Вольфрамовые абразивы, молибденовые сплавы, германиевые полупроводники, самариевые магниты, циркониевые ювелирные камни, никель-кадмиевые батарейки, стронциевые люминофоры – все это есть у нас благодаря взорвавшимся древним звездам.

Только после того, как первое поколение сверхновых засеяло Вселенную полным набором химических элементов, и смогли возникнуть каменистые планеты (планеты земной группы), а также новое поколение звезд, вырабатывающих углерод. Многие из этих звезд взорвались, создав еще больше углерода и других тяжелых элементов для новых планет и будущих поколений звезд, сильнее обогащенных металлами. Этот нескончаемый бурный цикл создания и рассеивания элементов продолжается во Вселенной по сей день.

Наша Солнечная система сформировалась в результате множества предшествующих звездных циклов, растянувшихся по времени более чем на 13 млрд лет, поэтому она обогащена углеродом – в его кристаллической форме.

Вступление – Земля появляется и эволюционирует

Атомы смешиваются, создавая кристаллы необычайной красоты и разнообразия. Земная кора, мантия и ядро Земли содержат углеродистые соединения в огромных количествах: алмаз, графит и более 400 других кристаллических углеродсодержащих минералов составляют главные запасы углерода в Земле. Эти многочисленные минеральные разновидности рассказывают живую историю широкомасштабной 4 500 000 000-летней эволюции Земли, а их современные синтетические аналоги проявляют удивительное разнообразие и играют важную роль в сегодняшнем высокотехнологичном мире.

Первые кристаллы в космосе

Углерод чрезвычайно общителен. Атомы углерода рождаются по одному, но не могут выносить одиночества. Они используют любую возможность, чтобы соединиться с четырьмя другими атомами. Поэтому химия углерода, основанная на этом отчаянном желании углерода соединяться, должно быть, началась очень рано, чуть ли не на заре творения. Окруженные водородом, первичные атомы углерода быстро обзавелись четырьмя компаньонами и стали молекулами CH₄ – метана, основного компонента природного газа.

Химия углерода стала гораздо интереснее,

когда звезды начали взрываться, рассеивая в небесах новые химические элементы. Важным новым элементом стал кислород – химически активный атом, который вступал в прочные соединения с углеродом. На сцене быстро появились молекулы угарного (CO) и углекислого (CO₂) газов. Другие атомы этого элемента соединились с многочисленными атомами азота и водорода в смертельную синильную кислоту (HCN) или с также повсеместно распространенными серой и фосфором – в десятки разнообразных молекул.

Из всех этих небольших первичных молекул образовались газы, которые объединились с водородом и гелием в большие облакоподобные туманности – колыбели звезд [27] . Углерод также не упустил возможности соединять между собой свои же атомы, и в результате возникли структуры типа цепочек, колец и решеток – молекулярных образований со все большей геометрической сложностью. И время от времени в наиболее насыщенных углеродом завихрениях расширяющейся газообразной оболочки звезд каждый атом углерода объединялся с еще четырьмя такими же в растущий объект правильной формы. В результате появился крошечный кристалл алмаза.

27

Составить представление о космохимии поможет обзор: Harry McSween and Gary Huss, Cosmochemistry (New York: Cambridge University Press, 2010).

Алмаз – это углерод, застывший в кристаллическом совершенстве. Как можно не любить этот драгоценный камень? Сплошные превосходные степени: самый твердый, обладающий самой высокой теплопроводностью, самый сверкающий и прочный на срез, самый ценный. Столетиями алмаз будоражил воображение как обычных потребителей, так и ученых – в равной степени. Крупные без примесей кристаллы – не просто редкие и красивые драгоценности, желанные символы любви и власти. Алмазы являются и научными сокровищами. Они позволяют заглянуть в загадочные недра планеты и хранят данные о ее интригующем прошлом. Алмазы буквально представляют собой временные капсулы скрытого сердца Земли, а если заглянуть вглубь времен, то окажется, что они были самыми первыми кристаллами в космосе [28] .

28

Вероятность того, что алмаз был первым минеральным видом, обсуждается в книге: Robert M. Hazen et al., “Mineral Evolution,” American Mineralogist 93 (2008): 1693–720.

Вот как это произошло. При высоких температурах на поверхности звезды, насыщенной углеродом, колебания атомов были слишком сильны и неуправляемы, чтобы какая-либо пара атомов углерода смогла образовать прочную химическую связь. Условия меняются, когда такая звезда взрывается, высвобождая огромное расширяющееся облако атомов в газообразной форме. Когда температура внутри этой расширяющейся газовой оболочки падает ниже 4400 °C, жаждущие компаньонов атомы углерода замедляются в достаточной степени, чтобы соединиться с четырьмя другими в крошечные пирамидки, размером менее миллиардной доли сантиметра. Каждый атом этой пирамидки тоже нуждается в четырех соседях, так что ко всем вершинам добавляется еще по три недостающих атома углерода. Это повторяется снова и снова в правильной геометрической последовательности. Так растет кристалл алмаза.

Конец ознакомительного фрагмента.