Млечный Путь № 3 2020

На самом базовом уровне мы можем узнать, что такое человек, просто глядя на крошечные компоненты - атомы, из которых состоят наши тела. Кислород является самым распространенным элементом в нашем теле, за ним следуют углерод, водород, азот и кальций. В общей сложности существует, по крайней мере, 56 различных элементов из периодической таблицы, которые составляют не менее 0,1 миллиграмма для типичного человека, причем как легкие, так и тяжелые элементы играют важную роль в биологической активности организма.

В течение последних 200 тысяч лет или около того люди ходили по этой Земле, причем каждое поколение современных людей происходило от предыдущего. Каждое живое существо происходит от своего родительского организма (или от нескольких родителей), при этом генетический материал передается - плюс любые мутации - от родителя к ребенку. В непрерывной цепочке жизни на Земле, насчитывающей более четырех миллиардов лет, происходит каждый существующий сегодня организм.

Однако все различные формы жизни, которые когда-либо существовали, содержат те же ингредиенты, что и люди: те же самые атомы и те же самые элементы. Всем им требуется стабильный дом, где они могут собираться в формы жизни, которые воспроизводятся и поддерживают себя в течение миллиардов лет: каменистая планета, такая, как Земля, вокруг относительно стабильной звезды, такой, как наше Солнце. Нет никакой гарантии, что неизбежна эволюция чего-то вроде человека, но для каждой планеты во Вселенной с условиями, аналогичными Земле, мы должны признать, что это возможно.

Тогда возникает вопрос: что должно произойти во Вселенной, чтобы планета земного типа вокруг звезды, подобной Солнцу, имела правильные ингредиенты для возникновения жизни? Нельзя просто сказать: "Вселенная была создана таким образом", потому что наука работает не так. В науке, если хотите узнать ответ на вопрос о Вселенной, вы должны опросить саму Вселенную. Мы делаем это, формулируя гипотезы, проводя эксперименты, наблюдения и делая выводы.

К счастью, этот метод очень успешно дает ответы, которые мы ищем.

Первым ингредиентом, который нам нужен, являются элементы, необходимые для жизни: различные атомы, составляющие периодическую таблицу. Когда мы смотрим на Землю и другие тела в нашей Солнечной системе в деталях, включая метеориты, падающие на Землю, мы можем определить, какие элементы присутствуют в каком соотношении, и они включают в себя все элементы, необходимые для жизни.

Изучая Вселенную, в том числе:

* большие массивные звезды,

* вспышки сверхновых,

* маленькие, похожие на Солнце звезды,

* звездные остатки, такие, как белые карлики и нейтронные звезды,

* космические лучи,

* и даже сам Большой взрыв, мы можем определить, откуда берется большая часть элементов.

Если наша Вселенная начинается с горячего Большого взрыва, единственные элементы, которые там создаются, - это водород, гелий и малое количество лития; ничего больше. Причина проста, но ограничительна: на самых ранних, самых горячих стадиях эволюции Вселенной есть много протонов и нейтронов высоких энергий, но также достаточное число фотонов, чтобы каждый раз, когда протоны и нейтроны связываются вместе, появлялся свет и разделял их.

Только после того, как Вселенная расширится и остынет в достаточной степени, протоны и нейтроны могут соединиться вместе, образуя более тяжелые элементы, а это требует времени. Самые легкие элементы могут возникнуть в Большом взрыве, но не более тяжелые. Для них мы должны ждать очень и очень долго: пока не сформируются звезды.

Потребуются десятки или даже сотни миллионов лет, чтобы Вселенная достаточно остыла, а гравитация привлекла достаточно материи, чтобы впервые начать формирование звезд. Для этого Вселенной необходимо:

1. родиться с крошечными изъянами, где в одних регионах больше материи, чем в других,

2. достаточно остыть, чтобы из ионизированных ядер атомов и свободных электронов могли образовываться стабильные атомы,

3. привлечь достаточно вещества, чтобы газовые облака могли схлопнуться и образовать звезды,

4. и чтобы коллапсирующая материя излучила достаточно энергии, чтобы ядерный синтез мог начаться в ядре звезды.

Первая часть - одно из ключевых доказательств космической инфляции; вторая часть - источник космического микроволнового фона, который мы видим; третья - это то, что происходит за все это время - от десятков до сотен миллионов лет; но зачем нужна четвертая часть?

Потому что обычно процесс охлаждения газа с образованием звезд заключается в излучении этой энергии через тяжелые элементы. Без какого-либо из них единственный способ остыть - это излучение газообразного водорода, что ужасно неэффективно. Поэтому самые первые звезды во Вселенной, которые астрономы называют звездами населения III, сильно отличались от звезд, которые формируются сегодня.