Откуда появились атомы во Вселенной?

Известный астроном, астрофизик и популяризатор науки Карл Саган однажды сказал, что «мы состоим из звездной пыли». Интересно, что на самом деле это очень точное утверждение.

Из звездного вещества состоят не только люди, но и все, что мы видим вокруг себя, как и все в Солнечной системе и Галактике. Элементы, из которых состоят наши тела и все планеты, были созданы в ядрах массивных звезд.

Когда Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва, условия были слишком экстремальными для образования обычной материи.

Температуры были слишком высоки, чтобы даже отдельные кварки могли объединиться и образовать нейтроны и протоны. Но за первые несколько минут существования Вселенная достаточно остыла, чтобы кварки образовали первые протоны и нейтроны.

Однако потребовалось еще 380 000 лет, чтобы все остыло настолько, чтобы образовались первые атомы. Как только это произошло, Вселенная начала становиться такой, какой мы ее знаем.

Первые атомы вещества практически полностью представляли из себя водород, с небольшими количествами гелия и лития. Несмотря на это, мы знаем, что наша Вселенная теперь содержит множество других элементов.

Всего насчитывается 118 элементов, 92 из которых встречаются в природе, если быть точным. Водород — самый простой и самый распространенный элемент во Вселенной, и все остальные элементы произошли от водорода.

Чтобы превратить водород в более тяжелые элементы, должны были сформироваться звезды. Звезды почти полностью состоят из водорода, но в их ядрах водород активно превращается в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, в процессе термоядерного синтеза.

Более массивные звезды способны продолжать процесс синтеза дальше по периодической таблице, чем звезды с малой массой.

Самые массивные звезды способны в конечном итоге создавать железо в своих ядрах.

Но как только это произойдет, звезда обречена. Для синтеза железа требуется больше энергии, чем выделяется, и, таким образом, железо начинает поглощать энергию звезды.

Число Сагана — это число звезд в наблюдаемой Вселенной. Это число достаточно хорошо определено, потому что известно, что такое звезды и что такое наблюдаемая вселенная, но его значение периодически менялось.

В 1980 году Карл Саган оценил его в 10 секстиллионов. В 2003 году оно оценивалось в 70 секстиллионов (7 × 10 ²²).  В 2010 году оно оценивалось в 300 секстиллионов (3 × 10 ²³).

Когда это происходит, огромная гравитация звезды берет верх, и звезда коллапсирует. Ядро звезды сжимается до такой степени, что силы отталкивания между атомами преодолеваются.

Протоны и электроны сливаются вместе, образуя нейтроны. В конце концов, ядро ​​почти полностью состоит из нейтронов и становится так называемой нейтронной звездой.

Остальная часть звезды продолжает коллапсировать, пока не отскочит от нейтронной звезды. Результатом является гигантский взрыв, называемый сверхновой.

Во время вспышки сверхновой количество произведенной энергии настолько велико, что железо может быть сплавлено в еще более тяжелые элементы, такие как золото и серебро.

Сверхновые звезды являются основным источником элементов в межзвездной среде, начиная с кислорода и заканчивая рубидием, хотя теоретическое содержание элементов, образующихся или наблюдаемых в спектрах, значительно варьируется в зависимости от различных типов сверхновых.

Если звезды однажды перестанут умирать, элементы, которые они создают, останутся запертыми в их ядрах. Чтобы ингредиенты планет и жизни попали в космос, звезды должны взорваться.

Само наше существование стало возможным только благодаря законам физики, управляющим звездными жизненными циклами. Если бы не звезды и сверхновые, Вселенная была бы не чем иным, как огромным и безжизненным облаком водорода.

Атомы, из которых состоит буквально все, что мы видим, в том числе и мы сами, когда-то образовались в ядрах массивных звезд.

Более ранняя версия этой статьи была опубликована в сентябре 2022 года.