Химический состав космических объектов определяется с помощью. Самое распространенное вещество во вселенной

10.12.2023

Космохимия Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Геохимия - наиболее изученная часть космохимии. Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Геохимия - наиболее изученная часть космохимии.

Химия Земли В состав земной коры входят: O – 46.6 % Ca – 3.63 % Al – 8.13 % Na – 2.83 % Si – % K – 2.59 % Fe – 5.0 % Mg – 2.0 % Всего - 98,59%

Химический состав метеорита Химические анализы метеоритов, упавших на нашу планету, дали замечательные результаты. Если подсчитать среднее содержание во всех метеоритах наиболее распространенных на Земле элементов: железа, кислорода, кремния, магния, алюминия, кальция,- то на их долю падает ровно 94%, т. е. их в составе метеоритов равно столько же, сколько в составе земного шара.

Химия межзвёздного пространства Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы. Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы. Химия межзвездного пространства - удивительно сложна. В космосе были открыты простейшие радикалы: например, метин (CH), гидроксил (OH). Где есть гидроксил, там должна быть и вода, и она была действительно найдена в межзвездном пространстве. В космосе есть вода, органические молекулы (формальдегид), аммиак. Эти соединения, реагируя между собой, могут привести к образованию аминокислот.

Лунная химия Лунные камни особенные – на их составе сказывается недостаток кислорода. На Луне не было ни свободной воды, ни атмосферы. Все летучие соединения, возникшие при магматических процессах, улетели в космос. Каменные метеориты сложены простыми силикатами, число минералов в них едва достигает сотни. В лунных же породах минералов немного больше, чем в метеоритах, – вероятно, несколько сотен. А на поверхности Земли открыто больше 3 тыс. минералов. Это говорит о сложности земных химических процессов по сравнению с лунными.

Химический состав планет Меркурий – самая близкая к Солнцу планета Меркурий покрыт силикатными породами, сходными с земными. Состав атмосферы Венеры углекислого газа (СО2) около 97 %, азота (N2) не более 2 %, водяного пара (Н2О) около 1 %, кислорода (О2) не более 0,1 %.

Химический состав планет Атмосфера этой планеты состоит из углекислоты, есть немного азота, кислорода и водяного пара. Советские и американские ученые отправили автоматические исследовательские станции и на Марс. Марс – холодная безжизненная пыльная пустыня. Самая интересная, удивительная и загадочная планета с точки зрения химии – это Юпитер. На 98 % Юпитер состоит из водорода и гелия. Обнаружены также вода, сероводород, метан и аммиак.

Химический состав планет Атмосфера Урана состоит примерно на 83% из водорода, на 15% из гелия и на 2% из метана. Подобно другим газовым планетам, Уран имеет полосы облаков, которые очень быстро перемещаются. Строение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, подобны Урану: различные "льды" или отвердевшие газы с содержанием около 15% водорода и небольшого количества гелия Атмосфера Сатурна - в основном, водород и гелий.

МЕТАЛЛЫ В КОСМОСЕ Титан сегодня - важнейший конструкционный материал. Это связано с редким сочетанием легкости, прочности и тугоплавкости данного металла. На основе титана создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники. Титан сегодня - важнейший конструкционный материал. Это связано с редким сочетанием легкости, прочности и тугоплавкости данного металла. На основе титана создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники.

Фуллерены в космосе фуллерены разветвлённые цепочки углеводородов фуллерены разветвлённые цепочки углеводородов Фуллерены впервые найдены вне Млечного Пути Фуллерены впервые найдены вне Млечного Пути фуллерены были найдены в метеоритах фуллерены были найдены в метеоритах

В окружающей нас земной обстановке нет ничего, что хотя бы в отдаленной степени напоминало сверхразреженную межзвездную среду. Самым легким веществом обычно принято считать воздух. Однако по сравнению с любой межзвездной туманностью воздух выглядит образованием необычно плотным.

Кубический сантиметр комнатного воздуха имеет массу, близкую к одному миллиграмму; масса туманности Ориона в том же объеме в 100 000 000 000 000 000 (10 17) раз меньше. Прочесть это число нелегко. Но еще труднее наглядно представить себе столь большую степень разреженности вещества.

Плотность межзвездных газовых туманностей (10-20 г/см З) так ничтожна мала, что массой в один миллиграмм будет обладать газовое облако объемом в 100 кубических километров!

В технике стремятся в некоторых случаях получить вакуум - весьма разреженное состояние газов. Путем довольно сложных ухищрений удается уменьшить плотность комнатного воздуха в 10 миллиардов раз. Но и такая «техническая пустота» все же оказывается в миллион раз более плотной, чем любая газовая туманность!

В комнатном воздухе молекул так много, что им приходится непрерывно сталкиваться друг с другом. Ни одной из них не у дается пролететь более чем тысячную долю сантиметра, чтобы не столкнуться с какой-нибудь из своих соседок. В газовых туманностях простора куда больше. Каждый из атомов может здесь спокойно лететь миллионы километров, не опасаясь столкновения с другим атомом.

Не только на Земле, но и в пределах Солнечной системы мы не знаем образований, которые по своей разреженности могли бы соперничать с газовыми туманностями. Даже кометы выглядят рядом с туманностями столь же плотными, как сталь по сравнению с воздухом. Плотность газов в головах комет в тысячи раз больше плотности межзвездных туманностей.

Может показаться странным, почему столь разреженная среда на фотографиях кажется сплошным и даже плотным светящимся облаком, тогда как воздух настолько прозрачен, что почти не искажает наблюдаемую сквозь него картину Вселенной. Причина заключается, конечно, в размерах туманностей. Они так грандиозны, что представить себе объем, ими занимаемый, нисколько не легче, чем ничтожную их плотность.

В среднем туманности имеют поперечники, измеряемые световыми годами или даже десятками световых лет. Это означает, что если Землю уменьшить до размеров булавочной головки, то в таком масштабе туманность Ориона должна быть изображена облаком величиной с земной шар! Поэтому, несмотря на ничтожную плотность составляющих её газов, вещества туманности Ориона все же вполне хватило бы на «изготовление» нескольких сотен таких звезд, как наше Солнце.

Мы находимся от туманности Ориона на расстоянии, которое свет преодолевает за 1800 лет. Благодаря этому мы видим её всю целиком. Если же в будущем при межзвездных перелетах путешественники окажутся внутри туманности Ориона, то заметить это будет нелегко - рассматриваемая «изнутри» эта замечательная туманность покажется почти идеально прозрачной.

Свечение газовых туманностей может быть вызвано разными причинами. В тех случаях, когда соседняя с туманностью звезда весьма горяча (с температурой поверхности, большей 20000 К), атомы туманности переизлучают энергию, получаемую от звезды, и процесс свечения носит характер люминесценции. С другой стороны, постоянно движущиеся газовые облака иногда сталкиваются друг с другом и энергия столкновения частично преобразуется в излучение. Разумеется, эти причины могут действовать и совместно.

Как ни эфемерны по своей плотности газовые туманности, межзвездная среда еще в десять тысяч раз более разрежена. Согласитесь, что межзвездной газовой среде название «видимое ничто» подходит в гораздо большей степени, чем кометам.

Муниципальное Общебразовательное Учреждение

Средняя Общеобразовательная Школа №7

г.Бугуруслан Оренбургской области

Реферат

на тему:

«Химия космоса»

Выполнил

Утегенов Тимур

Ученик 7А класса

2011
План:
Введение;

Химия Земли;
Химический состав метеоритов;
Химический состав звезд;
Химия межзвездного пространства;
Начало лунной химии;
Химический состав планет;

Список литературы.

Введение
Если ты любишь смотреть на звездное небо,

Если оно привлекает тебя своей гармонией

И поражает своей необъятностью-

Значит, у тебя в груди бьется живое сердце,

Значит оно сможет отзвучать на сокровенные,

слова о жизни космоса.

Химия космоса - звучит забавно, однако химия имеет прямое отношение ко многим достижениям человека в освоении космоса.

Б
ез усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космическим кораблям преодолеть земное притяжение, сверхмощное горючее, помогающее двигателям развить необходимую мощность, точнейшие приборы, инструменты и устройства, которые обеспечивают работу космических орбитальных станций.

К сожалению, человек научился использовать только те материалы, которые находятся на поверхности Земли, но земные ресурсы истощаемы. Оттуда вопрос: «Существуют ли в космосе какие-нибудь химические элементы, хотя бы немного похожие на земные и можно ли их использовать в своих целях?». В этом и заключается актуальность выбранной мной темы.

Цели работы:

1.Исследоват химию планет, звезд, межзвездного пространства.

2.Познакомится с наукой Космохимией.

3.Узнат и рассказать о новых и интересных фактах, касающихся космической химии.

4. Использовать полученные знания в дальнейшем.

На сегодняшний день существует даже отдельная наука, космохимия. Космохимия- наука о химическом составе космических тел, законах распространённости и распределения химических элементов во Вселенной, процессах сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества. Наиболее изученная часть Космохимии - геохимия. Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе - плазменным состоянием вещества, нуклеогенезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд и др. - в основном занимается физика. Космохимия - новая область знания, получившая значительное развитие во 2-й половине 20 в. главным образом благодаря успехам космонавтики. Ранее исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём спектрального анализа излучения Солнца, звёзд и, отчасти, внешних слоев атмосфер планет. Этот метод позволил открыть элемент гелий на Солнце ещё до того, как он был обнаружен на Земле.

1. Химия Земли.

Для геологов, исследующих нашу планету, наиболее важно знать самые общие законы, определяющие поведение вещества на поверхности земной коры, в ее толще и в глубинах земного шара. Геолог не может искать вслепую. Он заранее должен знать, где он может найти железо, где – уран, где – фосфор, где – калий. Он должен знать, какие условия создают на Земле залежи углерода: где надо искать уголь, где – графит и где – алмазы. Геологу нужно знать, какие элементы сопутствуют друг другу в земной коре, он должен знать законы образования совместных месторождений различных элементов.

В сложных, грандиозных химических процессах, протекающих в земной коре и на ее поверхности сотни миллионов лет, продолжающихся и в наши дни, сходные своим положением в периодической системе элементы обладают сходной геохимической судьбой. Это позволяет геохимикам проследить их движение в земной коре и выяснить законы, распределяющие их на поверхности Земли.

В состав земной коры входят:

Всего - 98,59%

Если сравнить имеющиеся на всей Земле количества железа, кобальта и никеля - элементов, стоящих рядом в восьмой группе периодической системы, то окажется, что земной шар состоит из железа (атомный номер 26) на 36,9%, кобальта (атомный номер 27) на 0,2%, никеля (атомный номер 28) на 2,9%.

Геохимическое поведение различных элементов определяется, прежде всего, строением внешних электронных оболочек в их атомах, размерами атомов и соответствующих ионов. Элементы с завершенными внешними электронными оболочками (благородные газы) существуют только в атмосфере; они не вступают в природных условиях в химические соединения. Даже гелий и радон, образующиеся при радиоактивном распаде, не захватываются полностью горными породами, а непрерывно поступают из них в атмосферу. Редкие земли, стоящие в одной клетке таблицы, встречаются в природе почти всегда вместе. В одних и тех же рудах всегда присутствуют совместно и цирконий и гафний.

Геологи хорошо знают, что осмий и иридий нужно искать там же, где и платину. В периодической таблице Менделеева они стоят вместе в восьмой группе, и так же неразлучны в природе. Месторождения никеля и кобальта сопутствуют железу, и в таблице они в одной группе и в одном периоде.

Основная толща земной коры состоит из немногих минералов; все это химические соединения элементов, расположенных главным образом в коротких периодах и в начале и в конце каждого из длинных периодов таблицы. Причем преобладают среди них легкие элементы с малыми порядковыми номерами. Эти элементы составляют основную массу силикатных горных пород.

Элементы, стоящие в периодической системе в середине длинных периодов, образуют рудные, чаще всего сульфидные, месторождения. Многие их этих элементов встречаются в самородном состоянии.

И распространенность, и геохимическое поведение элемента (его миграция в земной коре) определяются его положением в периодической системе. Распространенность зависит от строения атомного ядра, геохимическое поведение – от строения электронной оболочки.

Поэтому периодическая система элементов необходима геохимику. Без нее не могла бы возникнуть и развиваться геохимия. Эта наука устанавливает общие закономерности во взаимном сосуществовании химических элементов в горных породах и рудах. Она дает возможность геологу находить в земной коре месторождения полезных ископаемых.

Периодический закон Менделеева – надежный и испытанный компас геохимика и геолога.

В начале своей работы я сказал, что речь пойдет о химии космоса, но почему- то начала говорить о химическом составе Земли… Но, во-первых, Земля - тоже небесное тело, и, во-вторых, нужно знать химический состав Земли, чтобы сравнить его с составом метеоритов и других космических тел, прилетающих к нам на Землю из таинственных глубин космического пространства.

2. Химический состав метеоритов.
Точнейшие химические анализы огромного числа метеоритов, упавших на нашу планету, дали замечательные результаты. Оказалось, что если подсчитать среднее содержание во всех метеоритах наиболее распространенных на Земле элементов: железа, кислорода, кремния, магния, алюминия, кальция,- то на их долю падает ровно 94%, т. е. их в составе метеоритов равно столько же, сколько в составе земного шара.

К

роме того, выяснилось, что в железных метеоритах

железа 91,0%,

кобальта 0,6%,

никеля 8,4%.

Если сравнить эти числа с относительным распространением этих элементов на земном шаре, приведенным выше, то получается совершенно поразительное совпадение: оказывается, что на Земле из этих трех элементов приходится на долю

железа 92%,

кобальта 0,5%,

никеля 7,5%,

т
. е. и на Земле и в метеоритах эти элементы находятся приблизительно в одинаковых соотношениях. Эти и многие другие обнаруженные совпадения дали ученым основание сделать вывод: вещество на Земле и вещество в небесном пространстве одинаково. Оно состоит из одних и тех же элементов.

Каждый из элементов и на Земле и в метеоритах имеет почти одинаковый изотопный состав. Например, неоднократно проводившиеся анализы изотопного состава серы, добытой из пепла и лавы многочисленных вулканов, находящихся в различных частях земного шара, показали, что сера одинакова повсюду. Всюду отношение между количествами стабильных изотопов серы -32 и ссры-34 одно и то же. Оно равно 22,200. Изотопный состав серы из метеоритов - единственных представителей Космоса, доступных прямому изучению, совершенно такой же, как и на Земле.

Далее оказалось, что наиболее распространенные элементы одни и те же. Даже соотношение между ними и тут и там одно и то же. Чередование элементов с четными и нечетными порядковыми номерами в периодической таблице также соблюдается одинаково и тут и там. Можно было бы, конечно, привести еще очень много примеров, показывающих большое сходство в поведении химических элементов на Земле и в космическом пространстве, отметить еще очень много общих закономерностей.

Может ли это быть случайным? Конечно, нет.

Откуда бы ни прилетали к нам на Землю случайные гости из Вселенной - быть может, это части комет, принадлежавших солнечной системе; быть может, это обломки малых планет; быть может, это вестники из чужого звездного мира, - важно одно: по своему химическому составу, по соотношению между элементами, по тем химическим соединениям, которые найдены в метеоритах, они сообщают нам, что действие великого закона Менделеева не ограничивается пределами нашей планеты. Он является единым для всей Вселенной, где могут существовать атомы с их электронной оболочкой. Из этого вывод: «Материя всюду едина».

3. Химический состав звезд.

Элемент	Количество (примерно)
Водород	8300
Гелий	1700
Углерод	1,5
Азот	0,9
Кислород	9,0
Фтор	0,028
Неон	3,4
Магний	0,49
Алюминий	0,05
Кремний	0,77
Фосфор	0,0028
Сера	0,25
Хлор	0,014
Аргон	0,07

В данной таблице приведены лишь примерные числа, но существуют звезды, имеющие повышенное содержание того или иного элемента. Так, известны звезды с по повышенным содержанием кремния (кремниевые звезды), звезды, в которых много железа (железные звезды), марганца (марганцевые), углерода (углеродные) и т. п. Звезды с аномальным составом элементов довольно разнообразны. В молодых звездах типа красных гигантов обнаружено повышенное содержание тяжелых элементов. В одной из них найдено повышенное содержание молибдена, в 26 раз превышающее его содержание в Солнце.

В недрах звезд, при немыслимых для Земли условиях, при температуре в сотни миллионов кельвинов и непостижимо огромных давлениях, протекает множество разнообразных ядерно-химических реакций.

В наши дни уже существует обширная область науки, увлекательная химия недоступного – ядерная астрохимия. Она выясняет важнейшие для всей науки вопросы: как образовались во Вселенной элементы, где и какие элементы возникают, какова их судьба в вечном развитии мироздания.

Методы этой науки необычны. Она пользуется и наблюдением – изучает с помощью спектроскопии состав звездных атмосфер, и экспериментом – исследует реакции быстрых частиц в земных ускорителях. Теоретические расчеты позволяют ученым заглянуть в недра звезд, где уже открыто немало интересного и кроется много загадочного.

Выяснено, например, что в центральных областях звезд, при сверхвысоких температурах и давлениях, где скорость «выгорания» водорода особенно велика, где количество его мало, а содержание гелия велико, возможны реакции между ядрами гелия. Там рождаются загадочные ядра бериллия – 8 (на Земле они совсем не могут существовать), там возникают и самые прочные ядра: углерод – 12, кислород – 16, неон – 20 и другие ядра «гелиевого» цикла.

Найдены в звездах и такие ядерно-химические реакции, при которых возникают нейтроны. А уж если есть нейтроны, то можно понять, каким путем появляются в звездах и почти все остальные элементы. Но очень много загадок стоит еще перед наукой на этом пути. Непостижимо огромно многообразие звезд во Вселенной.

В
ероятно, во всех доступных нашему наблюдению звездах преобладает водород, но содержанием других элементов звезды очень сильно различаются: в некоторых звездах обнаружено такое высокое содержание отдельных элементов по сравнению с обычными звездами, что их даже так и принято называть в астрофизике: «магниевые», «кремниевые», «железные», «стронциевые», «углеродные» звезды. Недавно обнаружены даже «литиевые» и «фосфорные» звезды. Эти таинственные различия в составах звезд еще ждут объяснения.

Удалось проследить и удивительные механизмы образования новых ядер. Оказывается, что не только благодаря сверхвысоким температурам ядра обладают настолько высокой энергией, что способны преодолевать электростатическое отталкивание и реагировать между собой. Очень многие элементы таким путем вообще не могли бы образовываться.

Дейтерий, литий, бериллий, бор при высокой температуре, существующей внутри звезд, очень быстро реагируют с водородом и мгновенно разрушаются. Эти элементы в мироздании «варятся» в холодных «кухнях», возможно, на поверхности звезд в звездных атмосферах, где возникают мощные электрические и магнитные поля, ускоряющие частицы до сверхвысоких энергий.

Звездные «фабрики», где создаются элементы, ставят перед учеными странные загадки, связанные с таинственными частицами нейтрино. Ученые начинают подозревать, что роль этих неуловимых частичек-призраков далеко не так безразлична, как это казалось совсем недавно. Выяснилось, что возможны такие ядерно-химические процессы, при которых большая часть энергии, образующаяся в звезде, уносится не в виде излучения, а только с нейтрино.

Но для звезды это означает катастрофу. Звезда существует в состоянии равновесия благодаря давлению звездного газа и световому давлению, которые уравновешивают силы тяготения. Если же энергия начинает уноситься из внутренности звезды только с нейтрино, которые пронизывают толщи звездных тел без сопротивления, со скоростью света, то звезда мгновенно будет сжата силами гравитационного притяжения.

Быть может, так и образуются пока непостижимые звезды – белые карлики, плотность вещества в которых может достигать многих тысяч тонн на 1 см3. Быть может, такие процессы дают начало и тем гигантским катастрофам, при которых рождаются Сверхновые звезды.

Но нет сомнения, что и эта, одна из величайших тайн природы, будет разгадана. Мы узнаем и тайну запасов водорода в звездах и в мировом пространстве, будут найдены процессы, ведущие к его образованию и к образованию «молодых» водородных звезд.

Вопрос о появлении Сверхновых звезд в мироздании исключительно важен. Должна быть решена загадка, как рождается такое колоссальное количество энергии, которое способно разметать звезду и превратить ее в туманность. Именно это произошло, например, в 1054 г. В созвездии Тельца вспыхнула Сверхновая звезда и, затухая, превратилась в Крабовидную туманность.

В наше время эта туманность уже простирается на сотни биллионов (1012) километров. Самое интересное – то, что вспышка Сверхновой звезды, постепенно угасая, теряет свою яркость так, как если бы она состояла из изотопа калифорния – 254. Его период полураспада – 55 сут. – точно совпадает с периодом уменьшения яркости Сверхновых звезд.

Но, пожалуй, главная задача астрохимии – выяснить, как возникает во Вселенной водород. Ведь в бесчисленном множестве звездных миров происходит непрерывное уничтожение водорода, и его общие запасы во Вселенной должны убывать.

И многие ученые на Западе пришли к тяжелому и мрачному выводу о «водородной смерти» Вселенной. Они считают, что во Вселенной одна за другой гаснут звезды, исчерпавшие свои запасы водорода. И эти ранее ярко сиявшие светила одно за другим превращаются в холодные мертвые миры, которым суждено вечно носиться в космическом пространстве.

Мрачный вывод о «водородной смерти» Вселенной логически порочен и неверен. Он опровергается опытными фактами, достижениями науки наших дней – химии Вселенной.

Достижения науки, познакомившие нас с тайнами недоступных звезд, с их составом, природой, таинственными процессами, происходящими в их недрах, основаны на знаниях природы атома, его строения. Эти знания воплощены в периодическом законе Менделеева. Но не следует думать, что периодический закон навсегда останется застывшим и неизменным. Нет, он и сам развивается, включая в себя все большее и большее содержание, все глубже и точнее отражая истину законов природы.

Закон периодичности свойствен и строению атомных ядер. Это позволяет надеяться на окончательное решение об относительной устойчивости элементов в мире и о составе всех небесных тел.

4. Химия межзвездного пространства.

Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы, где-то по неведомым путям, блуждают метеориты и их загадочные собратья – кометы.

Удивительно сложны и неожиданны пути зарождения одной из наук будущего – химии космического пространства. В глухие и страшные годы фашистской оккупации в маленьком голландском городке Лейдене на тайном собрании подпольного научного кружка юный студент Ван де Холст сделал доклад. Исходя из теории строения атома (которая, как мы уже знаем, была развита наукой на основе периодического закона Менделеева), он рассчитал, какова должна быть самая длинная волна в спектре излучения водорода. Оказалось, что длина этой волны 21 см. Она относится к коротким радиоволнам. В отличие от хорошо изученного видимого спектра, излучаемого раскаленным водородом, его радиоизлучение может происходить и при низких температурах.

Ван де Холст рассчитал, что на Земле такое излучение в атоме водорода маловероятно. Нужно ждать много миллионов лет, пока в атоме водорода произойдет перемещение электронов, которое сопровождается излучением радиоволн длиной 21 см.

В своем докладе молодой ученый сделал предположение: если в безграничном мировом пространстве присутствует водород, можно надеяться обнаружить его по излучению по волне 21 см. Это предсказание оправдалось. Оказалось, что из необъятных глубин Вселенной к нам на Землю всегда, не прекращаясь ни ночью, ни днем, приходят на волне 21 см поразительные радиосообщения о тайнах мироздания, которые приносит нам межзвездный водород.

Волна в 21 см мчится к нашей планете из столь отдаленных уголков Вселенной, что требуются тысячи и миллионы лет, пока она дойдет до антенн радиотелескопов. Она рассказала ученым, что в космосе нет пустоты, что в нем существуют невидимые глазу облака космического водорода, которые простираются от одной звездной системы к другой. Оказалось возможным даже определить протяженность и форму этих скоплений водорода. Для волны в 21 см в мировом пространстве нет преград. Даже черные, непроницаемые облака космической пыли, скрывающие от взора исследователя огромные области Млечного Пути, совершенно прозрачны для холодного излучения водорода. И эти волны помогают теперь ученым понять природу вещества, из которого построены далекие звезды не только Млечного Пути, но и самых отдаленных туманностей, лежащих на самом краю доступной нам части Вселенной.

Необъятные звездные миры, разобщенные расстояниями в пустом безграничном пространстве, теперь оказываются связанными в единое целое гигантскими водородными облаками. Трудно проследить преемственность в развитии научных идей, но несомненно, что есть прямая и непрерывная связь между смелым предсказанием юного голландского студента и великой идеей Менделеева. Так был найден в межзвездном пространстве водород.

Безграничное мировое пространство нельзя считать пустым. Теперь уже кроме водорода в нем найдено много других элементов.

Химия космоса весьма своеобразна. Это химия сверхвысокого вакуума. Средняя плотность вещества в пространстве всего только 10-24 г/см3. Такой вакуум пока нельзя создать в лабораториях физиков. Важнейшую роль в химии космического пространства играет атомный водород. Следующий по распространенности – гелий, его раз в десять меньше; найдены уже кислород, неон, азот, углерод, кремний – их в космическом пространстве ничтожно мало.

Выяснилось, что роль межзвездного вещества в мироздании огромна. На его долю приходится, по крайней мере в пределах нашей Галактики, почти половина всего вещества, остальная часть находится в звездах.

В химии межзвездного пространства за последние годы сделаны совершенно поразительные открытия. Все началось с того, что в космосе неожиданно обнаружили сложную молекулу цеаноацетилена (HC3N). Не успели космохимики объяснить, каким путем в межзвездном пространстве возникает органическая молекула столь сложного состава и строения, как вдруг с помощью радиотелескопа в созвездии Стрельца были открыты гигантские облака самого обыкновенного на Земле и совершенно неожиданного для космоса химического соединения – муравьиной кислоты (HCOOH). Следующее открытие было еще более неожиданным. Оказалось, что в космическом пространстве существуют облака формальдегида (HCOH). Это само по себе уже достаточно удивительно, но совсем необъяснимым остается тот факт, что разные космические формальдегидные облака имеют разный изотопный состав. Как будто бы история межзвездной среды в разных частях Галактики различна.

Затем последовало еще более странное открытие: в небольшом облаке межзвездной пыли, лежащем где-то по направлению к центру нашей Галактики, обнаружили аммиак (NH3). По интенсивности радиоизлучения космического аммиака удалось даже измерить температуру этой области космоса (25 К). Загадка космического аммиака заключается в том, что он в этих условиях неустойчив и разрушается под действием ультрафиолетового излучения. Значит, он интенсивно возникает – образуется в космосе. Но как? Пока это неизвестно.

Химия межзвездного пространства оказалась удивительно сложной. Уже найдены молекулы формамида – шестиатомные молекулы, состоящие из атомов четырех разных элементов. Как они возникают? Какова их судьба? Были еще найдены молекулы метилцеанида (CH 3 CN), сероуглерода (CS 2), сероокиси углерода (COS), окиси кремния (SiO).

Кроме того, в космосе были открыты простейшие радикалы: например, метин (CH), гидроксил (OH). Когда установили существование гидроксила, были предприняты поиски воды. Где есть гидроксил, там должна быть и вода, и она была действительно найдена в межзвездном пространстве. Это открытие особенно интересно и важно. В космосе есть вода, есть органические молекулы (формальдегид), есть аммиак. Эти соединения, реагируя между собой, могут привести к образованию аминокислот, что и было подтверждено на опыте в земных условиях.

Что же будет еще обнаружено в межзвездной «пустоте»? В ней найдено более 20 сложных химических соединений. Наверное, будут открыты и аминокислоты. Удивительные космические облака органических соединений, как, например, облако цианоацетилена в созвездии Стрельца, достаточно плотны и обширны. Расчет показывает, что такие облака должны сжиматься под действием сил тяготения. Не может ли оказаться вероятным совершенно фантастическое предположение, что планеты во время своего образования уже содержат сложные органические соединения – основу примитивных форм жизни? Пожалуй, становится вполне допустимым серьезное обсуждение, казалось бы, совершенно невозможного вопроса: «Что же старше – планеты или жизнь на них?» Конечно, трудно угадать, каким будет ответ на него. Ясно одно – для науки неразрешимых вопросов нет.

На наших глазах зарождается новая наука. Трудно предвидеть пути ее развития и предсказать, к каким еще более удивительным открытиям приведет космическая химия.

5. Начало лунной химии.

М

ного лет назад, в 1609 г., Галилео Галилей впервые направил телескоп в небо. Лунные «моря» представились ему в обрамлении берегов из белого камня. После наблюдений Галилея еще долгое время думали, что лунные «моря» наполнены водой. Говорили даже, что на Луне жить приятнее, чем на Земле. Знаменитый астроном XVIII в. Вильям Гершель писал: «Что касается меня, то, если бы мне пришлось выбирать, жить ли на Земле или Луне, я, не колеблясь ни одной минуты, выбрал бы Луну».

Шло время. Сведения о Луне становились все точнее. В 1840 г. лунная поверхность была впервые отображена на фотопластинке. В октябре 1959 г. советская космическая станция «Луна – 3» передала на Землю изображение обратной стороны Луны. И вот 21 июля 1969 г. на поверхности Луны отпечатался след человека. Американские космонавты, а затем и советские автоматические станции привезли на Землю лунные камни.

Лунные камни особенные – на их составе сказывается недостаток кислорода. Металлы не встречаются в их высших степенях окисления, железо встречается только двухвалентное. На Луне не было ни свободной воды, ни атмосферы. Все летучие соединения, возникшие при магматических процессах, улетели в космос, и вторичная атмосфера возникнуть не могла. Кроме того, на Луне процесс выплавления (образования коры) шел очень быстро и при более высоких температурах: 1200 - 1300оС, в то время как эти процессы на Земле шли при 1000 - 1100оС.

Луна все время повернута к Земле одной стороной. На ней в ясную ночь можно разглядеть темные пятна – лунные «моря», которые и открыл Галилей. Они занимают около трети видимой стороны Луны. Вся остальная ее поверхность – высокогорья. Причем на обратной, невидимой нам стороне «морей» почти нет. Породы, слагающие высокогорную обратную сторону ночного светила и «материки» видимой нам стороны, светлее, чем породы «морей».

Н
а Луне нет длинных линейных хребтов, как на Земле. Там возвышаются кольцевые структуры – высокие (до нескольких километров) стенки громадных вулканических цирков – кратеров. Крупные кратеры, диаметром несколько километров, ведут свою родословную от вулканов. Их лава, излившись в пониженные места, образовала колоссальные лавовые озера – это и есть лунные «моря». Многие кратеры диаметром меньше километра возникли, вероятно, при падении метеоритов или камней, поднятых взрывным вулканизмом Луны. Предположение это подтвердилось в 1972 г. На Луну упал метеорит и образовал новый кратер диаметром 100м. Метеорит привел в действие сейсмические приборы, установленные на Луне. Это дает возможность определить мощность лунной коры и узнать о ее глубинном строении.

И Лунные горы, и кратеры, и лунные «моря» образуют «лунный ландшафт». Очень возможно, что и Земля в раннюю эпоху своей геологической истории была изъедена кратерами и по ландшафту была похожа на теперешнюю Луну. Но мощные процессы разрушения горных пород, присущие Земле, похоронили первичный рельеф под толщей осадков. Разрушение земных горных пород – выветривание – идет под воздействием воды, живых организмов, кислорода, углекислоты и других химических факторов, а также смены температур. На Луне нет атмосферы, нет воды, нет и организмов, а это значит, что процесс окисления, как и другие химические реакции, там почти отсутствует. Поэтому лунные породы в основном испытывают физико-механическое дробление, а земные, разрушаясь, претерпевают глубокую химическую перестройку. Лунные породы превращаются в пыль под влиянием резкой смены температур между лунным днем и лунной ночью. На породы действует и галактическое излучение, и «солнечный ветер» – радиация Солнца. Нельзя забывать и метеориты, с огромной скоростью врезающиеся в поверхность Луны. В результате всех этих процессов на плотных породах Луны и возник слой мелкозернистого лунного грунта. Он мощным слоем покрывает «моря». Есть он и на поверхности высокогорных, материковых областей Луны.

Галактическое излучение примерно на метр проникает в тело Луны, и в породах под воздействием протонов происходят ядерные превращения. Благодаря бомбардировке протонами на Луне обычны радиоактивные изотопы (23AI, 22Na и др.), которых почти нет в земных породах. Есть и другие отличия. Например, в лунных породах содержится больше аргона, чем в земных. И еще одна химическая особенность – на Луне, по всей вероятности, нет месторождений полезных ископаемых. Дело в том, что для формирования рудных тел необходимы гидротермальные растворы, а свободной воды в толще Луны никогда не было. Зато некоторые лунные породы содержат около 10% титана.

Камни из космоса – метеориты знакомы людям давно. Но первые кусочки горных пород Луны попали к нам совсем недавно. Их доставили на Землю космонавты американских космических кораблей «Аполлон» и советские автоматические станции «Луна – 16» и «Луна – 20». Удивительно держать в руках кусок Луны! О лунном камне веками рассуждали ученые, его воспевали поэты, о нем столько написано! И только в наши дни человеку представилась исключительная возможность сравнить вещественный состав земных, метеоритных и лунных камней.

Каменные метеориты в основном сложены простыми силикатами, число минералов в них едва достигает сотни. В лунных же породах минералов немного больше, чем в метеоритах, – вероятно, несколько сотен. А на поверхности Земли открыто больше 3 тыс. минералов. Это говорит о сложности земных химических процессов по сравнению с лунными.

Тут уместно напомнить, что химический элементарный состав каменных метеоритов (хондритов) очень похож на состав Солнца. В каменных метеоритах и на Солнце практически одинаковы распространенность химических элементов и соотношения между ними (за исключением газов, которые при образовании метеоритов улетучились). Все химические элементы, обнаруженные на Солнце, найдены и в метеоритах. Кроме того, соотношение Si/Mg одинаково и на Солнце, и в метеоритах, и близко к единице. Когда выяснилось, что камни, доставленные из лунных «морей», оказались фрагментами базальтовых пород, стало ясно, что у лунной коры немало общего с Землей.

Базальты Луны, излившиеся при лунном вулканизме, несколько иного химического состава, чем хондриты. Так, соотношение Si/Mg в них равно не единице, а примерно 6 (как и в земных базальтах). Состав этих пород уже не соответствует первичному составу Солнца, однако они выплавились из лунного вещества, очень близкого к каменным метеоритам. Достаточно сказать, что средняя плотность Луны такая же, как каменных метеоритов – 3,34 г/см3. Земля же имеет плотность более 5, а ведь земная кора в основном сложена базальтами. Значит, Луна, вероятно, лишена тяжелого железного ядра.

И

так, лунные «моря» сложены базальтовой лавой и покрыты мелкозернистым грунтом того же состава. Но в деталях одно «море» отличается от другого. Море Изобилия, например, состоит из базальтов, где титана около 3 %, а в базальтах Моря Спокойствия титана до 10 %. Он находится здесь в виде минерала ильменита. Морские лунные базальты богаты железом – до 18 %, в земных же базальтах его обычно около 7 %. В лунных базальтах по сравнению с земными повышенное содержание урана, тория и калия. Эти радиоактивные элементы и обуславливают лунный вулканизм.

В высокогорьях Луны преобладают не базальты, а другие породы, так называемые анортозиты, состоящие главным образом из минерала анортита. На Земле такие породы встречаются среди самых древних пород на горных щитах. У земных анортозитов почтенный возраст – им до 3,5 млрд. лет. Все анортозиты, в том числе и лунные, содержат много алюминия и кальция и немного железа, ванадия, марганца, а также титан. А между тем в «морских» лунных базальтах содержание железа и титана весьма высокое.

Открытие способа образования лунных анортозитов прояснило бы земные геологические процессы далекого прошлого. Можно предположить, что анортозиты возникают при кристаллизационной дифференциации габбро-базальтовой магмы. На Луне анортозит кристализуется при очень быстром излиянии магмы в космическом вакууме. Все говорит о том, что для образования анортозита нужна вода и высокая температура. Лунная магма была горячей, однако, есть признаки того, что в ней было мало летучих компонентов: воды, газов, углекислоты. Правда, такие летучие соединения могли легко уходить с Луны в космос.

В происхождении анортозитов еще много неясного, а между тем находка этих пород в лунных высокогорьях воскресила старые геологические идеи о первичной анортозитовой коре Земли.

Очень интересна концентрация никеля в породах Луны. В монолитных морских базальтах его мало. Но в грунте (измельченной породе) его на полпорядка больше. А анортозиты материковых областей Луны содержат много никеля не только в грунте, но и в кусочках породы. И самое интересное – в грунте было обнаружено распыленное металлическое железо, содержащее никель. По всей вероятности, это частицы металлической фазы метеоритов. Удалось рассчитать, что в лунном грунте находится 0,25 % этого железного сплава, или 2,5 % каменного метеоритного вещества. Это значит, что многие миллионы тонн вещества привнесены на Луну из космоса. С помощью лунных камней, доставленных на Землю, определили абсолютный «геологический» возраст нашего ночного светила. Оказалось, что Луне около 4,6 * 109 лет, т.е. она ровесница Земли. Вместе с тем, отдельные кристаллические породы (главным образом базальты лунных «морей») на миллиард лет моложе: им около 3,0 * 109 лет.

6. Химический состав планет.

С

ведения о химии планет растут очень быстро. За последние годы мы много узнали о законах химических превращений вещества и о его составе на таинственных далеких мирах – наших соседях во Вселенной.

Меркурий – самая близкая к Солнцу планета. Но что происходит на планете, мы пока знаем весьма приближенно. Его масса слишком мала (0,054 земной), температура на солнечной стороне слишком велика (больше 400оС), и молекулы любого газа с огромной скоростью покидают поверхность планеты, улетая в космическое пространство. Наверное, Меркурий покрыт силикатными породами, сходными с земными.

На Венеру советские ученые отправили несколько автоматических лабораторий.

Т
еперь получены достоверные сведения о химическом составе ее атмосферы и об условиях на ее поверхности.

Посланные с Земли советские автоматические межпланетные станции «Венера – 4», «Венера – 5» и «Венера – 6» сделали прямой анализ состава атмосферных газов, измерили давление и температуру. Полученные сведения были переданы на Землю.

теперь достоверно известен состав атмосферы этой планеты:

углекислого газа (СО 2 ) около 97 %,

азота (N 2) не более 2 %,

водяного пара (Н 2 О) около 1 %,

кислорода (О 2) не более 0,1 %.

На поверхности Венеры жизнь невозможна. Термометр космической лаборатории показал температуру около 500 о С, а давление оказалось около 100 атм.

Поверхность Венеры (почти наверное) – раскаленная каменистая пустыня.

С
оветские и американские ученые отправили автоматические исследовательские станции и на Марс . Даже будучи разделены десятками миллионов миль пустого пространства, Марс и Земля находятся в таинственной связи. Установлено, что атмосфера этой планеты состоит почти из углекислоты, есть немного азота, кислорода и водяного пара. Атмосфера Марса очень разрежена, ее давление на поверхности в 100 с лишним раз меньше, чем на Земле. На Марсе преобладают температуры ниже 0 о С, огромные суточные колебания температуры становятся причиной страшных пыльных бурь. Поверхность планеты, как на Луне, покрыта множеством кратеров. Марс – холодная безжизненная пыльная пустыня.

Самая интересная, удивительная и загадочная планета с точки зрения химии – это Юпитер . Недавно было открыто радиоизлучение Юпитера. Какие процессы могут порождать радиоволны на этом холодном гиганте – загадка. Теоретики подсчитали, что ядро планеты должно быть жидким. Оно окружено оболочкой из металлического водорода, там царствуют давления в миллион атмосфер. Ученые настойчиво пытаются получить металлический водород в лабораториях. Основываясь на термодинамических расчетах, они уверены в успехе.

Юпитер окутан плотной атмосферой, толщиной в десятки тысяч километров. Химики открыли в атмосфере Юпитера много различных соединений. Все они, конечно, построены в полном соответствии с периодическим законом. На 98 % Юпитер состоит из водорода и гелия. Обнаружены также вода и сероводород. Найдены признаки метана и аммиака. Средняя плотность Юпитера очень мала – 1,37 г/см3.

Ф

изики рассчитали, что внутреннее ядро Юпитера должно быть очень горячим. От Солнца он получает мало тепла – в 27 раз меньше, чем Земля, и при этом 40 % отражает обратно в космос. Но излучает он в четыре раза больше, чем поглощает. Откуда Юпитер берет лишнюю энергию, как она возникает – неизвестно. Термоядерные процессы на нем невозможны. Быть может, эта избыточная энергия является энергией сжатия планеты?

Внешняя поверхность Юпитера очень холодная – от -90 до -120оС. Следовательно, внутри его атмосферы должны быть области, где условия мало отличаются от земных. Толщина такой зоны отнюдь не мала, около 3000 км. В этой зоне температурные колебания лежат в пределах от -5 до +100оС. Вода здесь должна быть жидкой, а другие соединения атмосферы – газообразными.

Астрономы считают, что снаружи Юпитер покрыт облачной оболочкой, состоящей из твердых частиц льда и аммиака. Поэтому он так ярко блестит на небе. В телескоп на поверхности Юпитера отчетливо видны полосы загадочных облаков, плывущих с гигантскими скоростями. Это царство ураганов и чудовищных гроз.

Ученые пытались воссоздать в лаборатории условия атмосферы Юпитера. Результаты получились неожиданными. Под действием электрических разрядов (грозы), ионизирующего и ультрафиолетового излучений (солнечный свет и космические лучи) в газовой среде, подобной по составу атмосфере Юпитера, возникали сложные органические соединения: мочевина, аденин, углекислота, даже некоторые аминокислоты и сложные углеводороды. Кроме того, были получены цианополимеры красного и оранжевого цвета. Их спектры оказались сходными со спектром загадочного красного пятна на Юпитере. Перед учеными возник вопрос: есть ли на Юпитере жизнь? Для наших земных организмов атмосфера этой планеты – яд. Но может быть, это зона первичных форм жизни, океан добиологических соединений, необходимых для возникновения самых примитивных, простейших форм жизни? А может быть, они там уже возникли?

С
иний цвет Урана является результатом поглощения красного света метаном в верхней части атмосферы. Вероятно, существуют облака других цветов, но они прячутся от наблюдателей перекрывающим слоем метана. Атмосфера Урана (но не Уран в целом!) состоит примерно на 83% из водорода, на 15% из гелия и на 2% из метана. Подобно другим газовым планетам, Уран имеет полосы облаков, которые очень быстро перемещаются. Но они слишком плохо различимы и видимы только на снимках с большим разрешением, сделанных "Вояджером 2". Недавние наблюдения с HST позволили рассмотреть большие облака. Есть предположение о том, что эта возможность появилась в связи с сезонными эффектами, ведь как не трудно сообразить, зима от лета на Уране сильно разняться: целое полушарие зимой на несколько лет прячется от Солнца! Однако, Уран получает в 370 раз меньше тепла от Солнца, чем Земля, так что летом там тоже не бывает жарко. К тому же, Уран излучает тепла не больше, чем получает от Солнца, следовательно, и, скорее всего, он холоден внутри

С
троение и набор составляющих Нептун элементов, вероятно, подобны Урану: различные "льды" или отвердевшие газы с содержанием около 15% водорода и небольшого количества гелия Как и Уран, и в отличие от Юпитера с Сатурном, Нептун, возможно, не имеет четкого внутреннего расслоения. Но наиболее вероятно, у него есть небольшое твердое ядро (равное по массе Земле). Атмосфера Нептуна - это, по большей части, метан: синий цвет Нептуна является результатом поглощения красного света в атмосфере этим газом, как на Уране Подобно типичной газовой планете, Нептун славен большими бурями и вихрями, быстрыми ветрами, дующими на ограниченных полосах, параллельным экватору. На Нептуне самые быстрые в Солнечной системе ветры, они разгоняются до 2 200 км/час. Ветры дуют на Нептуне в западном направлении, против вращения планеты. Заметьте, что у планет-гигантов скорость потоков и течений в их атмосферах увеличивается с расстоянием от Солнца. Эта закономерность не имеет пока никакого объяснения. На снимках Вы видите облака в атмосфере Нептуна Подобно Юпитеру и Сатурну, Нептун имеет внутренний источник тепла - он излучает более чем в два с половиной раза больше энергии, нежели получает от Солнца.

Химический состав Плутона также не известен, но его плотность (около 2 г/см3) показывает, что он, вероятно, состоит из смеси 70% горных пород и 30% водяного льда, практически также, как Тритон. Светлые области на поверхности, возможно, покрыты азотным льдом небольшими добавками (твердых) метана, этана и угарного газа. Состав темных областей поверхности Плутона не известен, но он может быть создан из первичного органического материала или в ходе фотохимических реакций вызванных космическими лучами. Об атмосфере Плутона известно совсем немного, но, вероятно, она состоит в основном из азота с небольшими примесями угарного газа и метана.

А

тмосфера Сатурна - в основном, водород и гелий. Но из-за особенности образования планеты большая, нежели на Юпитере, часть Сатурна приходится на другие вещества. "Вояджер 1" выяснил, что около 7 процентов объема верхней атмосферы Сатурна - гелий (по сравнению с 11-ю процентами в атмосфере Юпитера), в то время как почти все остальное – водород.

Поразительные достижения космической химии позволили начать исследования процессов, протекающих на поверхности далеких, пока еще недоступных миров. Это приводит к очень важному выводу: самая прекрасная планета – наша родная Земля. Долг каждого человека – бережно относиться ко всем ее богатствам и красоте.

Заключение

Наши знания химического состава Вселенной получены в результате спектроскопических исследований излучений Солнца и звезд, анализа метеоритов и на основании того, что мы знаем о составе Земли и других планет. Спектроскопические наблюдения позволяют установить элементы, ответственные за излучения, а на основании тщательного анализа интенсивностей спектральных линий можно сделать грубые оценки относительных количеств различных элементов, присутствующих во внешних частях излучаемого тела. Полученные таким образом данные подтверждают предположение, что Вселенная состоит из одних и тех же элементов. И приведенные данные доказывают это.

Список литературы.

1. Интернет;

2. Г. Хэнкок, Р. Бьювэл, Дж. Григзби «Тайны Марса»

3. В. Н. Демин «Тайны Вселенной»

Осмий на сегодня определён как самое тяжёлое вещество на планете. Всего один кубический сантиметр этого вещества весит 22.6 грамма. Он был открыт в 1804 году английским химиком Смитсоном Теннантом, при растворении золота в После в пробирке остался осадок. Это произошло из-за особенности осмия, он нерастворим в щелочах и кислотах.

Самый тяжёлый элемент на планете

Представляет собой голубовато-белый металлический порошок. В природе встречается в виде семи изотопов, шесть из них стабильны и один неустойчив. По плотности немного превосходит иридий, который имеет плотность 22,4 грамма на кубический сантиметр. Из обнаруженных на сегодня материалов, самое тяжёлое вещество в мире - это осмий.

Он относится к группе таких как лантан, иттрий, скандий и других лантаноидов.

Дороже золота и алмазов

Добывается его очень мало, порядка десяти тысяч килограмм в год. Даже в наиболее большом источнике осмия, Джезказганском месторождении, содержится порядка трёх десятимиллионных долей. Биржевая стоимость редкого металла в мире достигает порядка 200 тысяч долларов за один грамм. При этом максимальная чистота элемента в процессе очистки около семидесяти процентов.

Хотя в российских лабораториях удалось получить чистоту 90,4 процента, но количество металла не превышало нескольких миллиграмм.

Плотность материи за пределами планеты Земля

Осмий, бесспорно, является лидером самых тяжёлых элементов нашей планеты. Но если мы обратим свой взор в космос, то нашему вниманию откроется множество веществ более тяжёлых, чем наш «король» тяжёлых элементов.

Дело в том, что во Вселенной существуют условия несколько другие, чем на Земле. Гравитация ряда настолько велика, что вещество неимоверно уплотняется.

Если рассмотреть структуру атома, то обнаружится, что расстояния в межатомном мире чем-то напоминают видимый нами космос. Где планеты, звезды и прочие находятся на достаточно большой дистанции. Остальное же занимает пустота. Именно такую структуру имеют атомы, и при сильной гравитации эта дистанция достаточно сильно уменьшается. Вплоть до «вдавливания» одних элементарных частиц в другие.

Нейтронные звезды - сверхплотные объекты космоса

В поисках за пределами нашей Земли мы сможем обнаружить самое тяжёлое вещество в космосе на нейтронных звёздах.

Это достаточно уникальные космические обитатели, один из возможных типов эволюции звёзд. Диаметр таких объектов составляет от 10 до 200 километров, при массе равной нашему Солнцу или в 2-3 раза больше.

Это космическое тело в основном состоит из нейтронной сердцевины, которая состоит из текучих нейтронов. Хотя по некоторым предположениям учёных она должна находиться в твёрдом состоянии, достоверной информации на сегодня не существует. Однако известно, что именно нейтронные звезды, достигая своего передела сжатия, впоследствии превращаются в с колоссальным выбросом энергии, порядка 10 43 -10 45 джоулей.

Плотность такой звезды сравнима, к примеру, с весом горы Эверест, помещённой в спичечный коробок. Это сотни миллиардов тонн в одном кубическом миллиметре. К примеру, чтобы стало более понятно, насколько велика плотность вещества, возьмём нашу планету с её массой 5,9×1024 кг и «превратим» в нейтронную звезду.

В результате, чтобы сравнялась с плотностью нейтронной звезды, её нужно уменьшить до размеров обычного яблока, диаметром 7-10 сантиметров. Плотность уникальных звёздных объектов увеличивается с перемещением к центру.

Слои и плотность вещества

Наружный слой звезды представлен собой в виде магнитосферы. Непосредственно под ней плотность вещества уже достигает порядка одной тонны на сантиметр кубический. Учитывая наши знания о Земле, на данный момент, это самое тяжёлое вещество из обнаруженных элементов. Но не спешите с выводами.

Продолжим наши исследования уникальных звёзд. Их называют также пульсарами, из-за высокой скорости вращения вокруг своей оси. Этот показатель у различных объектов колеблется от нескольких десятков до сотен оборотов в секунду.

Проследуем далее в изучении сверхплотных космических тел. Затем следует слой, который имеет характеристики металла, но, скорее всего, он похож по поведению и структуре. Кристаллы намного меньше, чем мы видим в кристаллической решётке Земных веществ. Чтобы выстроить линию из кристаллов в 1 сантиметр, понадобится выложить более 10 миллиардов элементов. Плотность в этом слое в один миллион раз выше, чем в наружном. Это не самое тяжёлое вещество звезды. Далее следует слой, богатый нейтронами, плотность которого в тысячу раз превышает предыдущий.

Ядро нейтронной звезды и его плотность

Ниже находится ядро, именно здесь плотность достигает своего максимума - в два раза выше, чем вышележащий слой. Вещество ядра небесного тела состоит из всех известных физике элементарных частиц. На этом мы достигли конца путешествия к ядру звезды в поисках самого тяжёлого вещества в космосе.

Миссия в поисках уникальных по плотности веществ во Вселенной, казалось бы, завершена. Но космос полон загадок и неоткрытых явлений, звёзд, фактов и закономерностей.

Чёрные дыры во Вселенной

Следует обратить внимание, на то, что сегодня уже открыто. Это чёрные дыры. Возможно, именно эти загадочные объекты могут быть претендентами на то, что самое тяжёлое вещество во Вселенной - их составляющая. Обратите внимание, что гравитация чёрных дыр настолько велика, что свет не может её покинуть.

По предположениям учёных, вещество, затянутое в область пространства времени, уплотняется настолько, что пространства между элементарными частицами не остаётся.

К сожалению, за горизонтом событий (так называется граница, где свет и любой объект, под действием сил гравитации, не может покинуть чёрную дыру) следуют наши догадки и косвенные предположения, основанные на выбросах потоков частиц.

Ряд учёных предполагают, что за горизонтом событий смешиваются пространство и время. Существует мнение, что они могут являться «проходом» в другую Вселенную. Возможно, это соответствует истине, хотя вполне возможно, что за этими пределами открывается другое пространство с совершенно новыми законами. Область, где время поменяется «местом» с пространством. Местонахождение будущего и прошлого определяется всего лишь выбором следования. Подобно нашему выбору идти направо или налево.

Потенциально допустимо, что во Вселенной существуют цивилизации, которые освоили путешествия во времени через чёрные дыры. Возможно, в будущем люди с планеты Земля откроют тайну путешествий сквозь время.

Современным астрономам известно около трех с половиной тысяч экзопланет, которые находятся от нас на расстоянии от четырех до двадцати восьми тысяч световых лет. Некоторые из них очень . Попасть на какую-нибудь из них в обозримом будущем будет сложно - разве что человечество совершит огромный технологический скачок. Тем не менее, экзопланеты уже сегодня представляют собой огромный интерес с точки зрения астрохимии. Об этом - наш новый материал, написанный в партнерстве с Уральским федеральным университетом .

Основную часть вещества Вселенной (если говорить о барионном веществе) составляет водород - около 75 процентов. На втором месте идет гелий (около 23 процентов). Однако в космосе можно найти самые разнообразные химические элементы и даже сложные молекулярные соединения, включая органические. Изучением процессов образования и взаимодействия химических соединений в космосе занимается астрохимия . Представителям этой специальности очень интересно исследовать экзопланеты, потому что на них могут реализоваться самые разные сценарии, которые приведут к появлению необычных соединений.

Радуга на службе у астрономов

Основным инструментом получения информации о химическом составе отдаленных объектов является спектроскопия . Она использует тот факт, что атомы химических элементов (или молекулы соединений) могут излучать или поглощать свет только на определенных частотах, отвечающих переходам системы между различными уровнями энергии. В результате формируется спектр излучения (или поглощения), по которому можно однозначно определить вещество. Это как отпечатки пальцев, только для атомов.

Наглядным примером разложения света в спектр является радуга. Нам переходы от одного цвета к другому кажутся плавными и непрерывными, а на самом деле некоторых цветов в радуге нет, потому что определенные длины волн поглощаются содержащимися в Солнце водородом и гелием. Кстати, гелий впервые открыли именно по наблюдению за спектром Солнца (поэтому он и называется «гелий», от др.-греч. ἥλιος - «солнце»), а в лаборатории его выделили только через 27 лет. Это был первый успешный пример использования спектроскопии для изучения звезд.

Фраунгоферовы линии поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы Солнца.

Wikimedia commons

В простейшем случае атома водорода спектр излучения представляет собой серию линий, отвечающих переходам между уровнями с различными значениями главного квантового числа n (эта картина хорошо описывается формулой Ридберга). Самой известной и удобной для наблюдений является линия Бальмера Hα, имеющая длину волны 656 нанометров и лежащая в области видимого спектра. Например, на этой линии астрономы наблюдают за далекими галактиками и распознают облака молекулярного газа, которые в большинстве своем как раз состоят из водорода. Следующие серии линий (Пашена, Брэкета, Пфунда и так далее) целиком лежат в инфракрасном диапазоне, а серия Лаймана расположена в области ультрафиолетового излучения. Это несколько усложняет наблюдения.

В то же время у молекул сложных соединений есть другой способ излучать кванты света, в каком-то смысле даже более простой. Связан он с тем, что вращательная энергия молекулы квантуется, что также позволяет им излучать в линиях (кроме того, они могут излучать и непрерывный спектр). Энергия таких квантов света не очень большая, поэтому их частота лежит уже в радиодиапазоне. Один из самых простых вращательных спектров принадлежит молекуле угарного газа CO, по ней астрономы тоже часто распознают облака холодного газа, когда не могут разглядеть в них водород. Методы радиоастрономии позволили найти в молекулярных облаках также метанол, этанол, формальдегид, синильную и муравьиную кислоту, а также другие элементы. Например, именно с помощью радиотелескопа ученые алкоголь в хвосте кометы Лавджоя.

Что можно найти в космосе

Проще всего методы спектроскопии применять для изучения химического состава звезд. В этом случае астрономы исследуют спектры поглощения, а не излучения элементов. В самом деле, свет от них легко наблюдать, особенно в видимом диапазоне. Правда, химический состав звезд сам по себе обычно не очень интересен: по большей части они состоят из водорода и гелия с небольшой примесью тяжелых элементов.

Более тяжелые элементы образуются во вспышках сверхновых, и их тоже можно наблюдать. Например, некоторые ученые утверждают, что после недавно слияния двух нейтронных звезд должны были образоваться огромные количества золота, платины и других элементов из последних строк таблицы Менделеева. Но так или иначе, очень сложные или органические соединения в звездах существовать не могут, поскольку они обязательно распадаются из-за больших температур.

Другое дело - облака холодного межзвездного газа. Они очень сильно разрежены и излучают гораздо слабее, чем звезды, зато сами по себе гораздо больше. И состав у них более интересный. В них можно найти огромное число самых разных молекул - начиная от простых двухатомных и заканчивая относительно сложными многоатомными органическими соединениями. Среди сложных молекул особенно стоит выделить «пребиотические» соединения, например, аминоацетонитрил , который может участвовать в образовании глицина, простейшей аминокислоты. Некоторые ученые предполагают, что в молекулярных облаках может образоваться и рибоза, один из основных кирпичиков органической жизни. Если такие соединения попадут в благоприятные условия, это уже будет ступенькой для возникновения жизни.

Изображение туманности Ориона M42, полученное Коуровской астрономической обсерваторией УрФУ. Красный цвет - это результат рекомбинации в линии излучения Hα на длине волны 656,3 нанометра.

Чуть ближе к планетам

К сожалению, для определения химического состава экзопланет метод спектроскопии применить сложно. Все-таки для этого нужно зарегистрировать свет от них, а звезда, вокруг которой вращается планета, мешает это сделать, поскольку она светит намного ярче. Пытаться наблюдать за такой системой - все равно что смотреть на свет спички на фоне прожектора.

Тем не менее, некоторую информацию об экзопланете можно получить, не измеряя спектр ее излучения напрямую. Хитрость заключается в следующем. Если у планеты есть атмосфера, она должна поглощать часть излучения звезды, причем в разных спектральных диапазонах по-разному. Грубо говоря, на одной длине волны планета будет казаться чуть меньше, а на другой длине - чуть больше. Это позволяет строить предположения о свойствах атмосферы, в частности, о ее химическом составе. Такой способ наблюдений особенно хорошо работает на горячих, близко расположенных к звездам планетах, потому что их радиус проще измерять.

Кроме того, химический состав планеты должен быть связан с составом газопылевого облака, из которого она образовалась. Например, в облаках с большим отношением концентраций атомов углерода к атомам кислорода образующиеся планеты будут состоять преимущественно из карбонатов. С другой стороны, химический состав звезды, образовавшейся из такого облака, также должен отражать его состав. Это позволяет строить некоторые предположения, основываясь на изучении спектра одной только звезды. Так, астрономы из Йельского университета проанализировали данные о химическом составе 850 звезд и обнаружили, что в 60 процентах систем концентрации магния и кремния в звезде указывают на то, что рядом с ней могут находиться каменистые планеты, похожие на Землю. В оставшихся 40 процентах химический состав звезд говорит нам о том, что состав планет вокруг них должен существенно отличаться от земного.

Вообще говоря, в последнее время прямая спектроскопия особенно горячих планет на фоне тусклых звезд все-таки стала возможна благодаря возросшей точности измерительных приборов. В этом случае уже можно искать в их свете следы различных химических элементов и сложных соединений. Например, с помощью ИК-спектрографа CONICA, установленного на телескопе VLT и объединенного с системой адаптивной оптики NAOS, ученым удалось измерить спектр экзопланеты HR 8799 c, которая вращается вокруг белого карлика и разогрета так сильно, что сама излучает свет. В частности, из анализа ее спектра следовало, что в атмосфере планеты содержится меньше, чем ожидалось, метана и угарного газа. Также совсем недавно астрономы измерили спектр другого «горячего юпитера», в его атмосфере оксид титана. Тем не менее, непосредственные измерения спектра менее горячих каменистых планет (на которых существование жизни более вероятно) до сих пор представляет большую сложность.

Изображение системы HR 8799. Планета HR 8799 c находится в правом верхнем углу

Jason Wang et al / NASA NExSS, W. M. Keck Observatory

Состав планеты можно также определить косвенно, рассчитав ее плотность. Для этого нужно знать радиус и массу планеты. Массу можно найти, наблюдая за гравитационным взаимодействием планеты со звездой или другими планетами, а радиус оценить по изменению блеска звезды при прохождении планеты по ее диску. Очевидно, газовые планеты должны иметь меньшую плотность по сравнению с каменистыми. Например, средняя плотность Земли равна примерно 5,5 грамма на кубический сантиметр, и для поиска обитаемых планет астрономы ориентируются именно на это значение. В то же время плотность «самого рыхлого горячего юпитера» составляет 0,1 грамма на кубический сантиметр.

«Невозможные» соединения

С другой стороны, экзопланеты можно изучать и вовсе не выходя из лаборатории, как бы странно это ни звучало. Речь идет о моделировании (в основном численном) химических и физических процессов, которые должны на них происходить. Из-за того что условия на экзопланетах могут быть самые экзотические (простите за каламбур), вещества на них могут образоваться тоже самые необычные, «невозможные» в привычных для нас условиях.

Большинство открытых экзопланет относится к «горячим юпитерам» - сильно разогретым из-за небольшого расстояния до звезды газовым гигантам. Конечно, это не обязательно означает, что такие планеты преобладают в звездных системах, просто их легко найти. Температура атмосферы таких гигантов может превышать тысячу градусов по Цельсию, и состоит она в основном из паров силикатов и железа (при такой температуре оно начинает испаряться, но еще не кипит). В то же время, давление внутри этих планет должно достигать огромных значений, при которых водород и другие привычные для нас газы переходят в твердые агрегатные состояния. Эксперименты по моделированию подобных экстремальных условий проводятся давно, однако впервые металлический водород только в январе этого года.

С другой стороны, в недрах каменистых планет также могут достигаться большие давления и температуры, а «зоопарк» химических элементов там может быть даже больше. Например, по некоторым оценкам, давление внутри каменистых планет с массами в несколько земных масс может достигать значений до 30 миллионов атмосфер (внутри Земли давление не превышает четырех миллионов атмосфер). С помощью компьютерного моделирования удалось выяснить , что в таких условиях начинают образовываться экзотические соединения магния, кремния и кислорода (которых в составе каменистых планет должно быть много). Например, при давлениях более 20 миллионов атмосфер стабильными становится не только привычный для нас оксид кремния SiO 2 , но и «невозможные» SiO и SiO 3 . Также интересно, что в недрах особенно массивных планет (до 20 масс Земли) может образоваться MgSi 3 O 12 - оксид, обладающий свойствами электрического проводника.

Нестандартные условия можно моделировать не только на компьютере, но и в лаборатории, пусть и не для такого большого диапазона давлений и температур. С помощью алмазной наковальни можно получить давления до 10 миллионов атмосфер, как раз соответствующие условиям в недрах планет, а разогреть образец до высоких температур можно лазером. Эксперименты по моделированию таких условий действительно активно проводятся в последнее время. Например, в 2015 году группа ученых, в состав которой входили российские исследователи, экспериментально наблюдали образование пероксида магния MgO 2 уже при давлениях около 1,6 тысяч атмосфер и температурах больше двух тысяч градусов Цельсия. Подробно об исследованиях поведения вещества при больших давлениях вы можете прочитать в .

Рентгеновская спектроскопия образца, состоящего из атомов магния и кислорода, при давлении около десяти тысяч атмосфер и температуре около двух тысяч Кельвин. Пунктиром выделена область с повышенным содержанием кислорода.

S. Lobanov et al / Scientific Reports

***

В УрФУ есть группа ученых, которые занимаются изучением протопланетного вещества в дальнем космосе и Солнечной системе. Мы попросили ведущего специалиста Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Вадима Крушинского более подробно рассказать об изучении экзопланет.

N +1: Зачем мы изучаем экзопланеты?

Вадим Крушинский: Еще 25 лет назад нам было известно о существовании единственной планетной системы - Солнечной. Теперь же мы уверены в том, что планеты есть у огромного числа звезд, возможно, почти у каждой звезды во Вселенной. Прогресс технологий получения и обработки данных привел к тому, что найти свою экзопланету может даже продвинутый любитель астрономии. Открытие очередного «горячего юпитера» - это открытие целой планетной системы, просто мы видим только самую заметную ее часть. Планеты меньшего размера или находящиеся дальше от родительской звезды открываются гораздо реже, это эффект наблюдательной селекции.

Вадим Крушинский в составе группы ученых Уральского федерального университета работает над проектом по исследованию протопланетного вещества в дальнем космосе, Солнечной системе и на Земле.

Это один из шести прорывных научных проектов университета, им занимается стратегическая академическая единица (САЕ) - Институт естественных наук и математики УрФУ - вместе с академическими и индустриальными партнерами из России и других стран. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

Единичный эксперимент не позволяет делать выводы о наблюдаемом явлении. Эксперимент должен быть повторен многократно и независимо. Каждая открытая экзопланетная система - это отдельный независимый эксперимент. И чем больше их известно, тем надежнее прослеживаются общие законы происхождения и эволюции планетных систем. Нам необходимо набирать статистику!

Что же можно узнать об экзопланетах, наблюдая за ними с таких больших расстояний?

Прежде всего нужно определить свойства родительской звезды. Это позволяет вычислить размеры планет, их массу и радиусы орбит. Зная светимость родительской звезды и радиус орбиты, можно оценить температуру поверхности экзопланеты. Кроме того, атмосферы планет имеют разную прозрачность в разных спектральных диапазонах (об этом писал еще Ломоносов). Для наблюдателя это выглядит как разный диаметр планеты при наблюдении в разных фильтрах. Это позволяет обнаружить атмосферу и оценить ее толщину и плотность. Свет родительской звезды, прошедший через атмосферу планеты во время транзита, несет информацию о составе ее атмосферы. А во время вторичного затмения, когда планета прячется за свою звезду, мы можем наблюдать изменения спектра, связанные с отражением от атмосферы и поверхности планеты. Так же, как и у Луны, у экзопланет можно наблюдать фазы. Если изменения блеска системы, вызванные этим эффектом, не постоянны, то это говорит о том, что альбедо планеты (способность отражать свет) меняется. Например, вследствие движения облаков в ее атмосфере.

Свойства экзопланет должны быть связаны со свойствами родительских облаков. Изучая материю на стадии звездообразования, мы вносим вклад в понимание эволюции планетных систем. К сожалению, Земля претерпела значительные изменения в ходе истории, и уже мало напоминает то протопланетное вещество, из которого когда-то родилась. Но совсем рядом с нами летают метеориты и кометы. Некоторые из них даже падают на Землю и попадают в лаборатории. До каких-то из них могут долететь космические аппараты. Прямо перед нами отличный объект исследования! Остается только доказать, что и другие планетные системы эволюционировали так же, как наша.

Можно ли найти жизнь на других планетах?

Для этого нужно обнаружить биомаркеры - проявления жизнедеятельности организмов. Лучшим биомаркером были бы передачи условного «Первого канала», но сойдет и наличие кислорода. Без жизни кислород на Земле был бы связан и исчез из атмосферы за десяток тысяч лет. Обнаружив кислород в атмосферах экзопланет, мы сможем утверждать, что не одиноки во Вселенной. Как его найти, было рассказано выше. Но вот только приборов с достаточной чувствительностью пока нет. Прорыв в этом направлении ожидается после запуска космического телескопа им. Джеймса Вебба (JWST).

Что могут сделать в этой области ученые из России и, в частности, из УрФУ?

Несмотря на то, что в плане изучения экзопланет Россия отстает от остального научного сообщества, у нас есть возможность сократить это отставание. Относительно малобюджетные программы по поиску экзопланетных систем (пилотный проект KPS Коуровской обсерватории УрФУ) позволят сделать первый шаг и помогут в наборе данных для статистического анализа. Высокоточные фотометрические измерения можно проводить и на имеющемся оборудовании, это позволяет искать атмосферы у некоторых экзопланет. Спектральные наблюдения во время транзитов и вторичных затмений относительно доступны для крупнейших телескопов России. Что нужно сделать для старта этих программ - найти заинтересованных людей и оплатить их работу. Немного вложиться в оборудование.

Второе направление - моделирование и интерпретация наблюдаемых эффектов. Это может быть как теоретическая работа, так и экспериментальная - исследование поведения и свойств образцов в условиях космоса и сравнение с наблюдаемыми эффектами. Для этого необходимо создание установки, имитирующей условия космического пространства. В качестве образцов можно использовать метеориты из коллекции УрФУ.

Дмитрий Трунин