Борис Шустов

В 2019 году мы празднуем 150‑летие открытия великого Периодического закона, суть которого выражена в Периодической таблице химических элементов. Выдающийся русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев по праву считается отцом Периодического закона, и у россиян есть повод для гордости.

К 1 марта 1869 года (официальная дата открытия закона) было известно немногим более 60 элементов, причем часть сведений являлась ошибочной. Но Менделееву удалось сложить этот замысловатый пазл и построить основу системного знания, на котором строится современная наука и, в общем-то, современная цивилизация.

Периодическая таблица химических элементов — одно из наиболее значительных достижений в науке, охватывающих суть не только химии, но и физики, и астрофизики, и даже биологии. Это уникальный инструмент, позволяющий изучать свойства вещества во всей Вселенной, включая Землю и нас самих. Именно поэтому список инициаторов празднования столь внушителен: Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), Международный союз чистой и прикладной физики (IUPAP), Международный астрономический союз (IAU), Международный союз истории и философии науки и техники (IUHPS), а также Международный совет научных союзов (ICSU), который в 2018 году объединился с «Международным советом социальных наук» и был переименован в «Международный научный совет» (ISC), и другие.

Основной закон Вселенной состоит в том, что она постоянно меняется. Все ее свойства: структурные, тепловые, ионизационные и, конечно же, химические, изменяются на протяжении уже почти 13,8 миллиардов лет (это современная оценка возраста Вселенной). Временные и пространственные шкалы этих изменений очень сильно отличаются. И всё это происходило, происходит и будет происходить взаимосвязано. В студенческие годы мы все знакомились с принципом материального единства мира. Это были немного абстрактные (а временами скучноватые) философские положения, но с накоплением научных знаний углублялось понимание сложного и эволюционного переплетения взаимосвязей во Вселенной. Описать многоплановую картину эволюции Вселенной непросто, но в этом может помочь своеобразный дневник — история заполнения таблицы химических элементов во Вселенной. Причем она заполнялась не учеными, а самой природой. Ученые лишь пытаются изложить эту летопись на языке науки. Как у любых летописцев, описание неполное, не вполне точное и содержит в себе общепринятые на данный момент положения, часть которых в будущем вполне может оказаться заблуждениями. Что ж, наука — лишь вечное приближение к истине. Давайте очень кратко просмотрим эту летопись.

Начало (первичный нуклеосинтез)

В самом начале (когда возраст Вселенной составлял малые доли секунды) вещество было разогрето до столь высоких температур, и в нем присутствовало настолько много мощных фотонов, что эти фотоны разбивали любые микроструктуры вещества Вселенной, и оно представляло собой простейшую смесь элементарных частиц, поведение и состав которых определяются Стандартной моделью физики элементарных частиц. Привычные нам химические элементы в то время просто не могли существовать. Вселенная быстро расширялась, и плотность и температура в ней тоже быстро уменьшались. По мере расширения и остывания Вселенной стал возможным и начался процесс образования из этих элементарных частиц химических элементов таблицы Менделеева. Этот процесс называется первичным (Big Bang) нуклеосинтезом. В течение первых нескольких минут при температуре около 109 K протоны и нейтроны сливались с образованием дейтерия ²H (или D) и легкого изотопа гелия ³He, ядерные реакции с дейтерием приводили к образованию трития и гелия. Затем в результате нуклеосинтеза большая часть дейтерия и гелия ³He пошли на образование изотопа гелия ⁴He, а также небольшого количества лития, бериллия и бора. Этот процесс, известный как первичный нуклеосинтез, прекратился примерно через 5 минут из-за резкой потери плотности. Кратковременность процесса первичного нуклеосинтеза и нестабильность ядер с массовыми числами 5 и 8 не позволили образоваться более тяжелым ядрам. Согласно Стандартной модели Большого Взрыва, начальное соотношение содержаний химических элементов: ¹H — 75 %, ⁴He — 25 %, D — 3×10⁻⁵%, ³He — 2×10⁻⁵%, ⁷Li — 10⁻⁹%, что хорошо согласуется с наблюдательными данными определений состава вещества в объектах с большим красным смещением.

Для составления первой таблицы химических элементов было бы достаточно лишь нескольких ячеек, но космологи заинтересованы в точном знании содержания элементов в этой таблице, поскольку точное содержание этих самых первых химических элементов является критически важным для космологических теорий.

Нуклеосинтез в первых звездах

Вещество первичного состава, то есть, практически полностью лишенное тяжелых элементов (по традиции все элементы тяжелее 4He называют металлами), часто называют «космологическим». Считается, что именно из такого вещества примерно через сто миллионов лет после Большого взрыва образовались первые звезды (ПЗ) во Вселенной, называемые также «населением III». Как показывают расчеты, ПЗ образовались из газа с концентрацией атомов 10⁴ см³ и температурой около 200 K. Отсутствие тяжелых элементов в таком газе определило одну из главных особенностей ПЗ — их чрезвычайно большую массу. По современным оценкам, они имели массу 100—1000 масс Солнца и более. Причиной тому является низкая способность водородно-гелиевого газа терять энергию (то есть охлаждаться), а без такого охлаждения небольшие объемы газа просто не могли сжаться до звездных плотностей.

По-видимому, эпоха ПЗ была очень короткой, так как время жизни звезд с такой массой составляло несколько миллионов лет, после чего они взрывались и выбрасывали продукты звездного нуклеосинтеза в окружающий водородно-гелиевый газ. Вновь образующиеся из этого газа звезды (их называют звездами населения II) уже имели в своем составе некоторое количество металлов. Металлы — прекрасные охладители, так что практически скачком произошел переход от необычных звезд населения III к «обычным». Поскольку ПЗ являлись необычными, состав продуктов нуклеосинтеза в них был также несколько необычным (в частности, занижено отношение содержаний Na/Mg). Таким образом, звезды населения II должны были иметь пекулярный химический состав и низкую металличность. Возможно, что такие звезды с массами меньше 0,8 массы Солнца могли дожить до современности, а значит, они могут быть обнаружены. Поиску и изучению звезд с очень низкой металличностью посвящены специальные программы на телескопах VLT («First Stars» programme), HET (CASH project), Keck (0Z project). К настоящему времени уже найдено несколько интересных объектов.

Звездный нуклеосинтез

В популярной песне поется: «Мы — дети Галактики». Это не совсем точно. Мы все — дети звезд (космических объектов). Дети звезд эстрады, спорта, политики и так далее в этом плане «как все». Большая часть химических элементов родились в недрах звезд — этих природных ядерных реакторах. С появлением звезд начался процесс ядерного синтеза, и в результате мы получили такое удивительное разнообразие химических элементов. Астрофизики используют очень сложные наблюдательные и теоретические методы, чтобы понять, из каких химических элементов состоят звезды и межзвездная материя и как работает в космосе великий цикл химического производства и обмена. Периодическая таблица здесь очень помогает.

Сейчас она содержит 118 элементов. Восемьдесят стабильных элементов и четыре радиоактивных считаются первичными, то есть космического происхождения. Остальные 34 обнаружены после того, как они были получены синтетически. Современные представления об источниках отдельных (групп) химических элементов представлены на известной диаграмме (из https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Elements-origin-ru.svg).

Эта красивая картинка — не икона. Здесь кроется еще множество нерешенных проблем.

Как путешествуют в космосе элементы периодической таблицы

Итак, элементы тяжелее гелия рождаются в звездах, которые обычно сосредоточены в галактиках. Часть этого богатства навсегда погребена в недрах потухших звезд, но значительная часть была выброшена в космос в результате потери массы звездами и грандиозных звездных взрывов. Эти элементы входят в межзвездное вещество (газ и пыль), из которого образовались и образуются новые звезды и планеты. Значительная часть тяжелых элементов покидает галактики и улетает в глубины межгалактического пространства. Интересно, что даже очень далеко от галактик в пустотах (англ. voids), которые считаются самыми пустыми областями Вселенной, обнаруживаются тяжелые элементы. Поскольку элементы не могли там родиться, нужно объяснить, как они переносятся в межгалактическую среду (МГС) и гораздо дальше, в пустоты.

Основными механизмами потери тяжелых элементов из галактик и выброса их в МГС являются: (1) галактический ветер и (2) вынос пыли давлением звездного излучения из галактик. После выброса из галактик тяжелые элементы переносятся в остальную Вселенную. Наблюдения показывают наличие тяжелых элементов даже в огромных (10 — 100 мегапарсек) пустотах при красных смещениях z ≥ 3. Ни галактический ветер, ни выброс пыли, который мы наблюдаем в нашу эпоху, не способны принести вещество так далеко. Так что и здесь можно отметить сакраментальное «проблемы остаются».

От атомов к молекулам

Разнообразие химических элементов обусловило развитие различных процессов образования и разрушения соединений химических элементов, то есть молекул. Одним из важнейших результатов химической эволюции (для нас, а не для самой Вселенной) стало появление живых существ, которые пытаются понять, как все это произошло. Астрохимики изучают космические источники происхождения около 200 молекул (и 400 молекулярных изотопологов), наблюдаемых в космосе, включая важнейшие органические соединения, а также очень сложные химические процессы в космосе. В конечном счете, чтобы понять происхождение жизни, это знание может быть решающим.

В рамках большого химического конгресса (Менделеевского съезда), посвященного 150‑летию таблицы Менделеева и проводимого в Санкт-Петербурге в сентябре 2019 года обсуждаются многие вопросы по проблемам космического происхождения, точнее наполнения, периодической таблицы химических элементов. Название симпозиума «Периодическая таблица сквозь пространство и время» (The Periodic Table through Space and Time) говорит само за себя. На этом симпозиуме ведущие космологи, астрофизики и астрохимики планеты обсуждают современное состояние представленных выше вопросов и обмениваются новыми идеями и перспективами. Празднование 150‑летия периодической таблицы химических элементов является очень важным шагом в научном прогрессе, который никогда не остановится.

Шустов Борис Михайлович, член-корреспондент РАН,  научный руководитель Института астрономии РАН.