Химический состав вещества во Вселенной

Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен во­прос о химическом составе вещества во Вселенной.

Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование — от самого твердого ( алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик — представляет собой различные ком­бинации тех же основных элементов.

Простейший элемент — водород. Его атом состоит всего из двух частиц — электрона и протона. Следующий простейший элемент — гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электро­на, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловле­ны разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обраща­ются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэ­тому они не были найдены на Земле в естественном виде.

При спектроскопическом исследовании астрономических объек­тов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы *. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90% всех атомов во Вселенной — атомы водорода; остальные — главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ни­чтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распростране­ния элементов во Вселенной, что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов — одна из цент­ральных проблем современного естествознания, лежащая на «стыке» астрономии, химии и физики.

* Гелий был открыт на Солнце (об этом говорит его название), причем ранее, чем на Земле.

Звезды

Звезда - газовый шар

Звезды — далекие солнца. Звезды — это огромные раскаленные со­лнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их cвет кажется нам относительно тусклым.

При взгляде на ясное ночное небо вспоминаются строки М.В. Ломоносова:

Открылась бездна, звезд полна,

Звездам числа нет, бездне — дна.

В ночном небе невооруженным газом можно видеть около 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. А всего нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10²².

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.

Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины α- Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!

В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимого ве­щества в известной нам части Вселенной. Звезды — мощные источни­ки энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существова­нием энергии излучения Солнца. Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. (Плазма — это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрица­тельные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.) Поэтому, строго говоря, звезда — это не просто газовый шар, а плаз­менный шар. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры — источники рентгеновского излучения и др.).

Звезды в космическом пространстве распределены неравномер­но. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т.д.); звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов); галактики — грандиозные звездные системы (наша Га­лактика, например, содержит около 150—200 млрд звезд).

В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномер­на. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.

Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т.е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это от­вечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют пере­менными звездами и нестационарными звездами. Переменность и не­стационарность — проявления неустойчивости состояния равнове­сия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отме­тить также и новые звезды, в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительно­го времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источни­ка энергии — гравитационное сжатие, приводящее к выделению грави­тационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Как показывают расчеты, энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн лет. Но из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение мил­лиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд. С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при тем­пературах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные ре­акции могут выделять необходимое количество энергии, составляет, по различным расчетам, от 12 до 15 млн К. Такая колоссальная тем­пература достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Предполагается, что у некоторых (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Со­лнечной системе.