Действительно ли мы все сделаны из звездной пыли?

Популярная концепция, согласно которой все мы сделаны из звездной пыли, не совсем ошибочна, но, возможно, правильнее было бы сказать “из звездного вещества”.

На самом деле Саган не говорил “звездная пыль”.

Карл Саган сказал: “Космос находится внутри нас. Мы сделаны из звёздного вещества. Мы – способ, с помощью которого Вселенная познает себя”. Эта цитата настолько невероятно хороша, что заставляет не спать ночами, чтобы все это осознать. Но из этих слов остановимся на двух: “звездное вещество”.

Звездное вещество, возможно, более расплывчатое описание, но в каком-то смысле оно более точное. Сейчас мы узнаем, почему.

Содержание

С одной стороны, можно легко заявить, что мы сделаны из звездной пыли. Примерно на 99% человеческое тело состоит всего из шести элементов. В порядке убывания массы это: кислород, углерод, водород, азот, кальций и фосфор. Около 65% массы тела составляет кислород, 18,5% – углерод. Водород составляет 90% всех атомов и является единственным элементом в организме человека, который не является результатом звездных процессов или событий.

Создание человека с нуля

“Часть кальция в ваших костях и железа в вашей крови появилась в результате гибели звезд”.

Чтобы выяснить происхождение водорода, необходимо начать с самого начала существования Вселенной. Уже через несколько минут после Большого взрыва в космосе начался нуклеосинтез. Вся видимая Вселенная через несколько минут после Большого взрыва была сравнительно небольшой. Если отцентрировать ее от Солнца, то она простиралась не дальше нескольких десятков ближайших звездных систем. И она была горячей – в состоянии, называемом кварк-глюонной плазмой. Кварки – это частицы, из которых состоят протоны и нейтроны – частицы, находящиеся в центре атомных ядер, а глюоны заставляют их держаться вместе.

Вселенная подвергалась массивному расширению, и по мере того, как она становилась больше, она становилась и холоднее – по крайней мере, достаточно для того, чтобы в ней могли появиться протоны и нейтроны. Водород в своей простейшей форме представляет собой всего лишь один протон, поэтому, когда протоны вышли из кварк-глюонной плазмы, вуаля, получился водород.

Менее распространенная форма водорода – дейтерий – имеет один протон и один нейтрон, и в результате его слияния образуется гелий (два протона и два нейтрона) и небольшое количество других элементов, но ничего такого тяжелого, как углерод (в его наиболее распространенной форме – шесть протонов и шесть нейтронов). В тот момент Вселенная на 75% состояла из водорода и на 25% – из гелия (плюс следы других элементов).

Чтобы получить углерод и другие более тяжелые элементы, необходим другой источник нуклеосинтеза – звезды. Звезды создают более тяжелые элементы, чем водород и гелий, путем ядерного синтеза. Сначала водород превращается в гелий, затем гелий – в углерод и кислород, а при достаточной массе звезды – в более тяжелые элементы.

Когда они доходят до железа, система разрушается. Для плавления железа требуется больше энергии, чем получается на выходе. Без производства энергии, звезда коллапсирует сама на себя, производя в процессе еще больше элементов и распространяя их по Вселенной при взрыве сверхновой.

Жестокие цели приносят жестокие удовольствия

“Чтобы создать нас, нужно все это. Не только Большой взрыв, не только звезды и слияние элементов внутри них; нужна также их эволюция и последующая гибель, особенно драматическая и взрывная”.

Некоторые элементы образуются при взрыве белых карликов. Белые карлики – это звезды, которые сами по себе оказались недостаточно массивными для сверхновой, поэтому их разрушившееся ядро оказывается обнаженным. Но если у них есть компаньон, то они могут набрать достаточно материала, чтобы преодолеть критический порог и взорваться – при этом образуются новые элементы. Часть кальция в ваших костях и железа в вашей крови будет получена в результате гибели этих звезд.

Последним процессом, в результате которого образуются более тяжелые природные элементы периодической таблицы, являются столкновения нейтронных звезд. Только в этом случае возможен быстрый захват нейтронов, известный также как r-процесс. Это набор ядерных реакций, в результате которых образуется половина элементов тяжелее железа. Он отвечает за такие элементы, как золото и платина, а также за элементы, имеющие фундаментальное значение для физиологии человека. Решающий вклад столкновений нейтронных звезд в наш состав – это йод. Его не так много, но он является ключевым элементом для нашего метаболизма.

Итак, чтобы создать нас, нужно все это. Не только Большой взрыв, не только звезды и слияние элементов внутри них, но и их эволюция и последующая гибель, особенно драматическая и взрывная. Нужны большие и малые звезды. Может быть, даже самые большие звезды, которые когда-либо существовали – объекты, в 10 000 раз превышающие массу нашего Солнца, которые прожили всего 2 млн. лет на заре звездообразования во Вселенной.

Учитывая все это, совершенно очевидно, что мы сделаны из звездного материала. Мы здесь потому, что звезды умерли. Но вопрос, который мы рассматриваем, несколько иной: сделаны ли мы из звездной пыли? Ответ: частично. И вот здесь мы можем как следует поразвлечься.

Пыль к пыли, прах к праху

“Все, что вас окружает, происходит от звезд. Мы – продукт этих космических взаимодействий”.

Звездная пыль, космическая пыль, внеземная пыль – как ее ни назови, Вселенная усеяна ею. Но она не похожа на земную пыль. Во-первых, она, как правило, гораздо мельче, в основном между консистенцией дыма и структурами, состоящими всего из нескольких молекул. Самые крупные структуры – микрометеороиды размером около 100 микрон (около 0,1 миллиметра). И тут стоит отметить, что звездная пыль имеет весьма специфическое значение в астрофизике.

Это пыль, созданная звездами, но не вся пыль создается там. Так что это хоть и придирчивый, но важный аргумент. Во-первых, интересно знать, что некоторые звезды создают молекулы, даже сложные молекулы на основе углерода. Звезды создают эти молекулы, а затем выбрасывают их в космос. Некоторые молекулы углерода в конечном итоге попадают на планеты, где они могут быть использованы в качестве строительных блоков жизни.

Таким образом, мы являемся звездной пылью, но лишь отчасти. Общепринятая оценка непосредственного вклада звезд во всю пыль во Вселенной составляет около 6%. Это может показаться разочаровывающей цифрой, но мы собираемся доказать, что это не так. Придирчивое отношение к вопросу “состоим ли мы из звездной пыли?” позволяет нам лучше оценить все источники, из которых в конечном итоге появилась наша планета, а со временем и мы сами.

Космическая пыль образуется вблизи звезд, когда они теряют внешние слои своих атмосфер. Она образуется в выброшенном материале новых звезд – эфемерном состоянии, когда астрономы наблюдают внезапное усиление яркости белого карлика, забирающего материал со звезды-компаньона. И, конечно же, когда взрываются сверхновые, в результате этих катастрофических событий также образуется пыль.

От звезд до наших тел

“Звездное вещество” – это более предметный и менее определенный термин, но он включает в себя все оттенки звездных процессов, которые прямо или косвенно привели к созданию нас”.

Затем пыль перерабатывается в межзвездной среде – веществе, существующем в пространстве между звездами. Здесь пыль уничтожается и восстанавливается, превращаясь в нечто новое. Межзвездная среда наполнена сложными молекулами, как полициклические ароматические углеводороды – молекулы-предшественники таких важных органических веществ, как аминокислоты (строительные блоки белков). Эволюция этих пылинок происходит не только тогда, когда звезды гибнут и умирают, но и при их рождении.

Интенсивная энергия протозвездной фазы может вызвать реакции в облаке газа и пыли, окружающем зарождающуюся звезду. В результате этих процессов пылинки вступают во взаимодействие с другими, скапливаются в камешки, а от камешков до планет – совсем небольшой космический шаг. Все, что вас окружает, происходит от звезд. Мы – продукт этих космических взаимодействий.

Но есть еще не рассмотренная нами молекула, не совсем звездная, но примыкающая к звездной пыли (иногда буквально прилепленная к ней): вода. Водяной лед – побочный продукт звездообразования, и он является самым распространенным твердым материалом во Вселенной.

Вода в наших реках, океанах, напитках и телах образовалась задолго до появления Солнечной системы в более холодных частях межзвездного пространства, где она могла конденсироваться. Но водяной пар может образовываться и в холодных звездах – тех, у которых температура меньше значения, вызывающего расщепление молекул воды. Таким образом, среди пыли, выбрасываемой звездами, есть и вода. Вода, которая в конце концов попала на Землю и к нам.

Вещество лучше, чем пыль

Мы – безнадежно романтичный вид. “Звездная пыль” для нас – это нечто искрящееся и волшебное, как сказочная пыль; брызги космической магии, которые делают ее немного более особенной. Понятие “звездное вещество” более фактично и менее определенно, но оно включает в себя все оттенки звездных процессов, которые прямо или косвенно привели к созданию нас с вами.

Возможно, “вещество” имеет менее магический оттенок, но его суть обладает большей силой. Звезды сгорали, чтобы создать нас, становились гигантами и взрывались сверхновыми. Самые плотные звезды во Вселенной сливались, чтобы создать нас, а молекулы, из которых мы состоим, появлялись в пылающих атмосферах и замерзающих межзвездных облаках. Мы – звездное вещество, лоскутное одеяло из элементов и молекул, образовавшихся в огромном разнообразии космической среды. Но мы – не просто пыль или вещество, мы – совокупность универсальных процессов, которые объединились в то, что мы называем человеком.