Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
Итак, откуда же берутся все остальные более тяжелые элементы, от двадцать седьмого (кобальта) до девяносто второго (урана)? Как ни странно, указывают авторы В2FH, они возникают при «маленьких больших взрывах». Массивнейшие из звезд (примерно в двенадцать раз тяжелее Солнца), спалив весь свой магний и кремний, очень быстро выгорают до железного ядра. Этот процесс занимает всего лишь около одного земного дня. Но прежде, чем погибнуть, звезда корчится в апокалипсической агонии. Когда у звезды не остается никакой энергии, которая позволила бы ей поддерживать собственный объем (его сравнительно легко поддерживать раскаленному газу), выгоревшая звезда схлопывается под действием собственной невероятной тяжести, всего за несколько секунд сокращаясь до считаных сотен километров. В ядре этой звезды протоны и электроны слипаются вместе, образуя нейтроны, пока там не остается практически ничего, кроме нейтронов. Затем, преодолев этот коллапс, звезда взрывается, разбрасывая материю во все стороны. Это не метафора. Возникает ослепительная сверхновая звезда, существующая примерно в течение месяца. Она простирается на миллионы километров и сияет ярче миллиардов звезд. И за этот месяц мириады частиц, обладающие непостижимыми импульсами,
Только в нашей Галактике сотни миллионов сверхновых прошли такой цикл от реинкарнации до катастрофической гибели. В ходе одного из таких взрывов зародилась наша Солнечная система. Примерно 4,6 миллиарда лет назад сверхновая пронизала сверхзвуковым энергетическим всплеском плоское облако космической пыли шириной около 15 миллиардов километров. Раньше на месте этого облака существовало не менее двух других звезд. Частички пыли стали сцепляться с атомной пеной, прилетевшей от сверхновой, и все облако забурлило маленькими смерчами и вихрями, как гладь огромного пруда, в который швырнули множество камешков. Плотный центр облака стал закипать и превратился в Солнце (которое буквально выросло из останков других звезд), а вокруг него начали накапливаться более мелкие тела, ставшие планетами. Самые крупные планеты нашей системы, газовые гиганты, сформировались на том этапе, когда солнечный ветер – поток заряженных частиц, идущих от Солнца, – выдул легкие элементы на периферию системы. Среди всех гигантов наиболее богат газами Юпитер, который по разным причинам стал фантастическим заповедником элементов. На Юпитере некоторые из них могут существовать в формах, невозможных на Земле.
С античных времен человеческий разум занимали фантазии о блестящей Венере, кольценосном Сатурне, Марсе, населенном инопланетянами. Именно в честь небесных тел были названы и некоторые элементы. Планета Уран была открыта в 1781 году. Этот факт так воодушевил научное сообщество, что уже в 1789 году в ее честь был назван уран-металл, несмотря на то что на той планете едва ли найдется и несколько граммов этого элемента. Именно по той же традиции получили названия нептуний и плутоний. Но в последние десятилетия самой интригующей планетой остается Юпитер. В 1994 году комета Шумейкеров – Леви 9 врезалась в Юпитер, это было первое космическое столкновение, которое доводилось наблюдать людям. Зрелище астрономов не разочаровало: в планету попал двадцать один ледяной кусок, огненные шары разлетались более чем на 2000 километров. Это драматическое событие заинтересовало и широкую публику, вскоре специалистам NASA пришлось отвечать на некоторые ошеломляющие вопросы, поступавшие во время конференций в прямом эфире. Кто-то спросил, правда ли ядро Юпитера – это огромный алмаз, превышающий по размерам Землю. Другой участник конференции поинтересовался, как связано гигантское Красное Пятно Юпитера с земной «гиперпространственной физикой», о которой он «что-то слышал». Якобы такая физика допускает возможность путешествий во времени. Через несколько лет после столкновения с кометой Шумейкеров – Леви Юпитер своей гравитацией изменил траекторию эффектной кометы Хейла – Боппа и направил эту комету к Земле. Вскоре после этого в Сан-Диего тридцать девять членов секты «Врата Рая» совершили самоубийство, так как полагали, что Юпитер чудесным образом направил ее к нам вместе с заключенным в ней космическим кораблем, который должен перенести их души в высшие духовные миры.
В настоящее время эти странные мнения не подтверждаются. Кстати, Фред Хойл, один из соавторов В2FH, несмотря на свою профессиональную квалификацию и заслуги, не верил ни в дарвиновскую теорию эволюции, ни в Большой взрыв, а выражение это впервые употребил в насмешку в одной из радиопередач на Би-би-си. Но упомянутый выше вопрос об алмазе все-таки научно обоснован. В свое время некоторые ученые всерьез доказывали (или втайне верили), что огромный Юпитер действительно может породить такой гигантский драгоценный камень. Некоторые по-прежнему надеются, что на Юпитере удастся обнаружить не только жидкие алмазы, но и твердые, размером с «Кадиллак». А если уж говорить о действительно экзотических веществах, отметим, что, по мнению ученых, странное магнитное поле Юпитера может генерироваться лишь океаном жидкого черного «металлического водорода». На Земле металлический водород удавалось зафиксировать лишь в течение нескольких наносекунд, в самых экстремальных условиях, какие только можно создать в лаборатории. Но многие физики убеждены, что Юпитер – необъятный резервуар металлического водорода и океан этого вещества достигает глубины в 30 тысяч километров.
Причина, по которой элементы существуют на Юпитере в столь необычном состоянии, заключается в том, что эта планета (а также, в меньшей степени, Сатурн, второй по величине газовый гигант нашей планетарной системы) является своеобразной переходной формой. Юпитер – не столько огромная планета, сколько маленькая неудавшаяся звезда. Если бы на этапе формирования Юпитер вобрал в себя примерно в десять раз больше дейтерия, чем имеет сейчас, то мог бы стать бурым карликом. Бурый карлик – это звезда, массы которой едва хватает для вялотекущего ядерного синтеза и излучения «низковаттного» рыжеватого света [39] . Тогда в нашей Солнечной системе было бы две звезды. Далее мы увидим, что в этом нет ничего из ряда вон выходящего. Юпитер действительно остыл настолько, что какой-либо ядерный синтез на нем невозможен, но сохранил достаточную массу, температуру и давление, чтобы атомы на нем оказывались очень близко друг к другу и вели себя совсем не так, как на Земле. Внутри Юпитера создается «переходная среда», свойства которой неблагоприятны как для ядерных, так и для привычных нам химических реакций. В таких условиях вполне могут существовать и алмазы величиной с небольшую планету, и маслянистый металлический водород.
39
Ядерный
Атмосферные условия на поверхности Юпитера также приводят к удивительным взаимодействиям между элементами. Но такие явления вполне нормальны на планете, где существует Большое Красное Пятно. Это огромный циклон, в три раза шире нашей Земли, который уже несколько веков продолжает бушевать в атмосфере Юпитера. Возможно, метеорологические процессы в нижних слоях атмосферы Юпитера еще более зрелищные. Поскольку солнечный ветер донес до орбиты Юпитера лишь самые легкие, а значит – самые распространенные элементы, состав этой планеты, в принципе, должен быть почти как у настоящей звезды: 90 процентов водорода, почти 10 процентов гелия и следовые количества других легких элементов, вплоть до неона. Но последние спутниковые наблюдения показали, что содержание гелия в верхних слоях атмосферы Юпитера на четверть меньше ожидаемого, а содержание неона на 90 % меньше, чем полагали ученые. Неслучайно, что в более глубоких слоях атмосферы эти элементы обнаружились в изобилии. Очевидно, какие-то силы переместили гелий и неон из одних мест в другие. Вскоре астрономы поняли, что получить представление об этих силах позволит метеорологическая карта Юпитера.
В ядре настоящей звезды все ядерные микровзрывы уравновешиваются постоянным центростремительным воздействием гравитации. На Юпитере такая ядерная печь отсутствует, поэтому ничто не мешает сравнительно тяжелым атомам гелия и неона проникать из внешних газообразных слоев вглубь атмосферы. Пройдя примерно четверть пути к центру планеты, эти газы оказываются в непосредственной близости от слоя жидкого металлического водорода, где сильнейшее атмосферное давление превращает эти газы в жидкости.
Большинство читателей видели, как гелий и неон красочно светятся в стеклянных трубках – так называемых неоновых лампах. Трение, возникающее при перемещении капелек этих элементов, плавающих в атмосфере Юпитера, может возбуждать атомы газов аналогичным образом, так что капельки напоминают жидкие метеоры. Таким образом, если сравнительно крупные капли падают достаточно быстро и достаточно далеко, то кто-нибудь, парящий прямо над поверхностью водородного юпитерианского океана, мог бы взглянуть в кремово-оранжевые небеса планеты и полюбоваться невообразимым световым шоу. Представьте себе фейерверки, озаряющие юпитерианскую ночь триллионами ярко-малиновых линий, которые уже получили среди ученых название неоновый дождь.
История скальных планет Солнечной системы (Меркурия, Венеры, Земли, Марса) иная, их драмы не столь зрелищны. На первом этапе формирования Солнечной системы образовались газовые гиганты, для этого потребовалось всего около миллиона лет. Тем временем сравнительно тяжелые элементы скапливались в небесном «каменном поясе», примерно по центру которого пролегает орбита Земли. Там они тихо дожидались своего часа в течение еще нескольких миллионов лет. Когда Земля и другие планеты земной группы наконец приняли форму плотных шарообразных тел, эти элементы были распределены в них более-менее равномерно. Как заметил великий Уильям Блейк, можно было бы поднять горсть земли и подержать в руке всю Вселенную, всю периодическую систему сразу. Но элементы начали перемешиваться друг с другом, группируясь вместе со своими близнецами и собратьями по периодической системе. После миллиардов таких переходов вверх и вниз по земной коре сформировались значительные залежи многих элементов. На всех скальных планетах тяжелое железо опустилось вниз, ближе к ядру. Именно там и сосредоточены основные его запасы. Например, на Меркурии можно наблюдать не менее чудесное явление, чем в атмосфере Юпитера: иногда меркурианское жидкое ядро выделяет железные «снежинки». Причем они не шестиугольные, как всем знакомые земные снежинки из замерзшей воды, а больше напоминают микроскопические кубики [40] . Земля могла превратиться просто в летящий ком урана, алюминия и других элементов, но события стали разворачиваться иначе: планета достаточно сильно остыла и затвердела, в результате дальнейшее перемешивание элементов осложнилось. Сегодня на нашей планете многие элементы сгруппированы в компактные отложения, которые, однако, встречаются повсюду в земной коре. За исключением некоторых известных случаев, ни одна страна не обладает монополией на добычу какого-либо элемента.
40
Погода на Марсе не менее удивительна, чем на Юпитере или Меркурии. Так, на Марсе иногда идет снег из перекиси водорода.
По сравнению со скальными планетами других звездных систем, четыре планеты в нашей системе обладают различным содержанием каждого элемента. Вероятно, большинство планетарных систем сформировались на месте взрывов сверхновых, и точное соотношение элементов в каждой системе зависит от того, какое количество энергии выделилось при конкретном взрыве и сформировало элементы. Кроме того, важен состав окружающей среды (космической пыли), с которой смешивались звездные выбросы. В результате состав элементов каждой планетарной системы получился уникальным. Из уроков химии вы, вероятно, помните, что под каждым элементом в периодической системе записан номер, соответствующий его атомной массе. Этот номер равен средней сумме масс протонов и нейтронов, содержащихся в атомах данного элемента. Так, атомная масса углерода равна 12,011 единицы. Это именно среднее значение. Большинство атомов углерода весит ровно 12 единиц, а оставшиеся 0,011 приходятся на незначительную долю атомов с массой 13 или 14 единиц. Но в другой галактике средняя атомная масса углерода может быть чуть выше или чуть ниже. Более того, сверхновые звезды порождают множество радиоактивных элементов, которые начинают распадаться сразу же после взрыва. Крайне маловероятно, что в двух разных звездных системах соотношение радиоактивных и нерадиоактивных элементов окажется одинаковым, если только две эти системы не образовались одновременно.