Космохимия
Всем пируват!
Рубрика "Астрономия"
В этой статье я попробую разобраться в том, что же такое космохимия.
Во-первых, это область химии. Во-вторых, это раздел космологии – науки, изучающей эволюцию Вселенной.
В целом предметами изучения космохимии являются распределение элементов во Вселенной и состав космических тел. В первой части статьи поговорим о распространенности химических элементов в космосе и об их возникновении.
Но для того, чтобы было чему распределяться, необходим «стройматериал». Элементарные частицы возникают в космосе так же, как в ускорителях. Вследствие воздействия сильных магнитных полей частицы приобретают околосветовые скорости и свободно перемещаются в космосе. Всевозможные электроны, позитроны, фотоны (то есть как материальные частицы, так и переносчики взаимодействий) могут вылетать из чёрных дыр. Итог: Вселенная изобилует элементарными частицами.
Барионная асимметрия позволила нам существовать: античастиц в молодой Вселенной было немного меньше, чем частиц. Образовались легкие элементы – водород, гелий, литий – а затем из них в ходе некоторых процессов (водородное газовое облако > увеличение его плотности > притяжение им материи <материи, которая образовалась в эпоху «темных веков», то есть до появления звезд и начала реионизации> > поглощение материи) образовались первые звёзды.
Звёзды выполняют роль котлов: в них происходят термоядерные реакции. «Термо» - так как с выделением энергии (поэтому звёзды горячие), а «ядерные» - собственно, из-за синтеза элементов. Вот пример: дейтерий с тритием порождают гелий и нейтрон, при этом выделяется энергия в несколько МэВ. Жизненный цикл звезды не столь важен в общем, ключевая часть – финальная. Когда синтез прекращается (в основном после образования железа) звезда умирает – топливо исчерпано. Если её масса была достаточно большой (в несколько раз больше массы Солнца), то она взрывается сверхновой.
Теперь начинается процесс распространения элементов. Неудивительно, что самый распространённый элемент - водород. Именно он (H~2~) является частью галактик, заполняет большую часть межзвёздного пространства. Но пройдемся по элементам по порядку.
Водород (и его изотопы), гелий и небольшая часть лития в космосе – последствия Большого Взрыва, потому что они существовали до образования звезд. Они возникли в процессе первичного нуклеосинтеза.
Литий, образованный в термоядерных реакциях, не стабилен: он распадается на два ядра гелия, взаимодействуя с бериллием. В итоге, того небольшого количества лития, образованного при Большом Взрыве, хватило на его дальнейшее существование и преумножение: аномально высокое содержание этого элемента наблюдается около гипотетических объектов Торна – Житков (это звезда – сверхгигант с нейтронной звездой в качестве ядра) и рядом со звёздами-гигантами, поглотившими экзопланеты.
Бериллий и бор – непростые ребята. Они появились благодаря распаду более тяжелых ядер и дальнейшему облучению.
С углеродом и последующими элементами (до железа) всё относительно ясно: звезда наварила их, а при вспышке сверхновой они покинули её.
Что же с элементами тяжелее железа? Они образуются в ходе s- и p-процессов. До висмута - именно благодаря s-процессу – медленному захвату нейтронов. Необходимые условия: температура выше 108 К, плотность нейтронов больше 1010 см-3, существование этих двух условий должно длиться более 103 лет, продукты процесса должны проникать во внешнюю оболочку. После висмута – p-процесс – быстрый захват нейтронов. Главное условие этого процесса – захват должен происходить быстрее бета-распада. Захват происходит до тех пор, пока его скорость не станет меньше скорости распада. Когда это произойдет, ядро распадётся, а получившиеся из него элементы продолжат p-процесс.
Стоит уделить внимание технецию. Он не имеет стабильных изотопов. Однако существуют технециевые звёзды, в спектрах которых наблюдаются линии поглощения технеция. Самая известная технециевая звезда - R Близнецов. Некоторые химические элементы были синтезированы людьми:
Трансурановые
Трансфермиевые
Трансактиноиды
Некоторые элементы переименованы:
Унунтрий – нихоний
Унунквадий – флеровий
Унунпентий – московий
Унунгексий – ливерморий
Унунсептий – теннессин
Унуноктий - оганесон
Но такие элементы, как прометий, астат, нептуний, плутоний, калифорний и, повторюсь, технеций хоть и были искусственно созданы, но позже выяснилось, что они присутствуют в фотосферах звёзд, земной коре, оболочках сверхновых.
Поговорим, наконец, о распространенности наиболее обильных элементов. Как я уже говорила, водород – самый распространенный элемент в космическом пространстве. За ним идет гелий. А вот на третьем месте – кислород. После него, конечно же, углерод. Пятое место, казалось, должен занять азот. Водород, кислород, азот и углерод – самые важные элементы в органической химии. Но пятое место принадлежит неону.
Что касается следующих элементов, то можно обратиться к таблице распространенности химических элементов по А. Камерону. В ней приводится численное значение атомов элементов на миллион атомов кремния.
По ней видно, что на пятом месте – неон, на шестом – азот, на седьмом – магний, на восьмом – кремний, на девятом – железо и так далее.
Таким образом, источник всех химических элементов (кроме синтезированных) – вспышки сверхновых. В нашей галактике за всю историю наблюдений было 10 таких вспышек. Возможно, их было больше, но они не были задокументированы.
Распространенность элементов в межзвёздном пространстве зависит от стабильности их изотопов и «лёгкости» их создания.
На этом завершаю первую часть.
До встречи в следующих постах!
Вычитка ФилФак
Источники фото: