Химики вселенной. Почему умирающие звезды называют сверхновыми
Сверхновые – интересные объекты, которые влияют на химическую эволюцию наших галактик. Крупные звезды, которые массивнее нашего Солнца, заканчивают жизнь яркой вспышкой, которая и называется сверхновой.
Взрывы сверхновых человечество наблюдало не раз. Одну из самых известных сверхновых наблюдали в 1054 году, об этом сохранилось много информации, записанной арабскими и китайскими астрономами. Сверхновая была видна даже днем. А ночи из-за нее были намного светлее. Длилось это 23 дня. При этом сверхновая расположена от нас очень далеко – на расстоянии в 6500 световых лет! Мы и сейчас видим последствия этого события – в этом месте образовалась Крабовидная туманность.
Последний взрыв сверхновой, который было видно невооруженным глазом, люди наблюдали в 1604 году. Это была вспышка в созвездии Змееносца, ее описал знаменитый астроном Иоганн Кеплер.
Сверхновые в большом количестве появляются каждый день по всей Вселенной. Только видны они лишь астрономам. Для человечества очень хорошо, что взрывы сверхновых происходят далеко. Если бы взорвалась одна из соседних звезд, это могло бы привести к гибели живого на нашей планете из-за сильной радиации. Но все массивные звезды, которые могут взорваться как сверхновые, находятся очень далеко от нас.
Парадокс, что фактическую гибель звезды называют сверхновой, но это связано с историей исследования звезд. Когда на небе в «пустом» пространстве, где ничего раньше не было, загоралась звезда, ее называли новой звездой. Автор названия – астроном эпохи Возрождения Тихо Браге, который детально описал такую вспышку. Когда неожиданно в небе начинает ярко-ярко гореть звезда – она затмевает все остальные. Поэтому ее назвали сверхновой.
На самом деле объекты там, конечно, были. Вспышка происходила не в пустоте. Просто далекие звезды с оборудованием XVII века разглядеть было трудно. До взрыва объект представляет из себя красного гиганта. После взрыва он сбрасывает оболочку. В звезде выгорает бóльшая часть вещества, и она уже не может поддерживать баланс. Оболочка улетает в космос на огромной скорости. В дальнейшем в этом месте образуется туманность. В более редких случаях так взрываются белые карлики. Как правило, это происходит в системах двойных звезд.
Оставшееся ядро звезды начинает сжиматься. В зависимости от массы первоначальной звезды получится один из двух объектов: либо нейтронная звезда, либо – если масса превышает 40 солнц – черная дыра.
Так может выглядеть Бетельгейзе с поверхности одной из своих планет. Иллюстрация
Следующий взрыв в Млечном Пути, как ожидают астрономы, произойдет в созвездии Ориона. Взорваться должен старый красный гигант – Бетельгейзе. Произойти это событие может в любой момент. Хотя большинство астрофизиков считают, что у Бетельгейзе в запасе все-таки есть несколько миллионов лет.
Химическая эволюция вселенной
Ну а для нас сверхновые имеют огромное значение, ведь они отвечают за химическую эволюцию галактик. Выбрасывают вещество, в котором заложена вся таблица Менделеева.
Взрывы сверхновых – основной источник пополнения меж-звездной среды элементами, которые тяжелее гелия. Они образуются в недрах звезд в результате термоядерных реакций и после взрыва вылетают в космос.
Золото – драгоценный металл, из-за которого сломано так много копий, – когда-то образовалось в недрах массивных звезд и разлетелось по всей галактике
Без сверхновых концентрация на Земле важных для нас элементов – от кислорода и углерода до железа и золота – была бы на порядок ниже. Причем если первые два еще относительно распространены, то подавляющее большинство тяжелых металлов – это остатки после взрывов сверхновых.
За всю историю человечества было добыто 166,5 тысяч тонн золота.
Бóльшая часть – 50 % – была направлена на изготовление ювелирных изделий, 12 % – на технические нужды. Если сложить все добытое золото, то получится куб со сторонами 20,5 метра. Не так уж много. А сколько человек полегло в битвах за этот дефицитный металл!
Золото не образуется в недрах земли. Все золото на нашей планете имеет космическое происхождение. Оно образуется в недрах массивных звезд и разносится по галактикам после того, как звезды взорвутся как сверхновые.
Столкновение нейтронных звезд – также один из распространенных путей появления драгоценных металлов во Вселенной, как считал Стивен Хокинг. В этот момент выделяется огромное количество энергии, что приводит к образованию тяжелых элементов, которые после взрыва разбрасываются по космосу.
Также сверхновые стимулируют звездообразование, пополняя запасы межзвездного газа. Для появления жизни в галактике должны образовываться новые звезды. Процесс должен быть постоянным. С элементами таблицы Менделеева мы разобрались. Но из золота жизнь не возникнет. Откуда жизнь берет строительный материал? Оказывается, во Вселенной много органики!
Органическая основа для жизни. Что нашли ученые в метеорите, который на 3 миллиарда лет старше Земли
С неживой природой все более или менее ясно. А как обстоят дела с органикой? Как оказалось, органического вещества во Вселенной довольно много. Ученые регулярно находят следы органических веществ на метеоритах.
Мурчисонский метеорит – один из самых древних, когда-то падавших на нашу планету. В его составе ученые нашли много любопытного. И это логично – ведь метеорит существовал еще до появления Солнца. Самое интересное из того, что было в метеорите, – множество органических соединений. За это ученые прозвали его «самым живым» метеоритом. Вещество, входящее в состав метеорита, образовалось 4,5–7 миллиардов лет назад. Значит, в его составе есть элементы, которые на 3 миллиарда лет старше нашей планеты!
Фрагмент Мурчисонского метеорита. Фото из архива Shutterstock
Вероятно, в истории Земли были и более древние метеориты. Но большинство из них упали на нашу планету на заре ее существования, когда у Земли еще не было мощной атмосферы. Да и планета была раскаленной и с более жидкой консистенцией. Метеоритное вещество, таким образом, проваливалось в нижние слои.
Мурчисонский метеорит упал 28 сентября 1969 года в Австралии, вблизи деревни Мурчисон неподалеку от Мельбурна. Метеорит весил свыше 100 килограммов, но раскололся при падении на множество фрагментов.
Метеорит был известен давно, но ученые смогли полноценно исследовать его только в последние годы: в XX веке лабораторных мощностей не хватало для столь детального анализа.
Основа метеорита – так называемые досолнечные реликты (второе название – досолнечные зерна). Это частицы минералов, которые собирались вокруг умирающих звезд еще до появления Солнечной системы. Состоят частицы в основном из карбида кремния. Это старейшие твердые вещества на Земле.
Семь миллиардов лет назад в нашей галактике происходило интенсивное звездообразование. К моменту появления Солнца, 4,57 миллиарда лет назад, процесс бурного образования звезд уже начал угасать. Изотопный состав частиц указывает на то, что они остались после взрыва сверхновой. Это была звезда с массой примерно в 25 раз больше нашего Солнца.
Международная команда ученых во главе с Йосихиро Фурукавой из Университета Тохоку детально изучила состав метеорита. Всего было найдено 14 тысяч различных органических соединений. Самые интересные из них – аминокислоты и органические вещества, входящие в состав ДНК и РНК. Разберем их подробнее. В метеорите удалось обнаружить свыше 70 аминокислот. В частности, он содержал аланин, глицин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, которые часто встречаются в белках на Земле.
Если вы когда-нибудь увлекались спортом и спортивной диетологией, то сразу поймете, сколько полезного было в этом метеорите. Такое ощущение, что это просто инопланетный атлет сделал заказ из магазина спортивного питания на свою какую-нибудь Альфа Центавру (по меркам космоса – подъезд по соседству от нас). Метеоритный курьер запутался и принес не туда, а на нашу Землю.
Глицин (аминоуксусную кислоту) многие покупают в аптеках как успокаивающее перед сном и для улучшения памяти. Глициновые рецепторы находятся в большом количестве в головном и спинном мозге. Он оказывает тормозящее воздействие. Это простейшая стабильная аминокислота, которой много в органических тканях. Глицин также регулярно находят в межзвездной среде.
Найденные аминокислоты – незаменимые кирпичики для появления жизни. Дальнейшие исследования космоса показали, что в нашей галактике много подобных соединений. А значит, существует вероятность возникновения жизни на других планетах. Однако и это еще не все. Кроме аминокислот, в составе метеорита обнаружены пурины и пиримидины. Они входят в состав нуклеотидов и нуклеозидов, которые являются важными структурными элементами ДНК и РНК, а также входят в состав источника энергии – АТФ.
Философ-позитивист Огюст Конт в 1835 году сказал: «Наука – это прекрасно! Но вы никогда не узнаете, из чего состоят Солнце и звезды». Прошло 25 лет, и немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф изобрели первый спектрометр. С помощью спектрального анализа можно разложить свет звезд и понять, какое вещество его испускает. А значит, узнать, из чего состоят звезды. Люди узнали и были поражены: у звезд то же самое вещество, что есть и на нашей Земле! И действуют те же законы физики.
То же сейчас происходит и с органикой. Это не прерогатива нашей планеты. Органических соединений очень много во Вселенной. А значит, высока вероятность, что где-то еще, на других планетах, им выпал шанс соединиться в причудливую форму под названием «жизнь».
«Сладкий» метеорит
В 2019 году на метеорите впервые нашли сахар. И это не рафинад. Не подумайте, не то чтобы какой-то инопланетянин захотел попить чайку, а тут – бац – люди! Впопыхах убежал и сахар рассыпал. Речь идет об углеводных соединениях, которые называются сахарами и входят в состав в том числе ДНК и РНК. А значит, являются одним из базовых элементов органической жизни.
Группа ученых из Японского агентства аэрокосмических исследований изучила данные, полученные с помощью космического аппарата NASA OSIRIS-REx с двух небольших астероидов Рюгу и Бенну. И каково же было их удивление, когда они обнаружили в составе астероидов сахар, который необходим для формирования жизни!
Это открытие подтвердило важную гипотезу: химические реакции на космических объектах могут привести к созданию базовых для появления жизни элементов. То есть неорганическая материя в космосе способна порождать сложные органические соединения, которые лежат в основе жизни.
Ученые изучали метеориты, богатые углеродами, и обнаружили на них несколько видов сахаров, в частности рибозу, арабинозу и ксилозу. Рибоза является ключевым компонентом РНК. Эта молекула играет важную роль – кодирует генетическую информацию. Образно говоря, РНК – это инструкция для организма, как синтезировать белок. А ДНК – автор этой инструкции.
«Раньше на метеоритах уже находили другие компоненты, важные для жизни. Например, аминокислоты, из которых состоят белки, и базовые элементы для нуклеиновых кислот, которые нужны для ДНК и РНК. Но сахар до сих пор найти не удавалось! – говорит ведущий автор исследования Есихиро Фурукава из Университета Тохоку. – Сахара – это была последняя недостающая часть среди строительных блоков, из которых строится жизнь».
Вечная загадка происхождения жизни – как живая материя могла возникнуть из неживой с помощью химических процессов. И, похоже, все базовые органические элементы есть в космосе. Они могут образовываться из неживой материи.
Органические вещества образуются из неорганических во время столкновения частиц на высоких скоростях. Такое возможно в условиях высокой плотности, температуры – например, когда образуются или сталкиваются звезды.
А уже из простых органических соединений типа метанола синтезируются более сложные вещества. При столкновении звезд, как брызги во время взрыва, образуются метеориты, которые разносят органические вещества по всей галактике. Скорее всего, когда-то именно таким образом они были занесены на Землю. И, попав в благодатный край, дали начало жизни на нашей планете.
В космосе есть гигантские резервуары с органическими молекулами
Астрофизики обнаружили резервуары для органических молекул, которые необходимы для возникновения жизни. Вокруг молодых звезд образуются диски плотного газа, которые вращаются вокруг звезды. Это так называемые протопланетные диски, из них потом и образуются планеты. Процесс образования планет из дисков занимает от нескольких сотен тысяч до миллионов лет. То есть, по меркам Вселенной, происходит довольно быстро.
Ученые изучили протопланетные диски у нескольких недавно образованных звезд. И обнаружили в них залежи больших органических молекул. Оказалось, что базовые химические условия, которые привели к возникновению жизни на Земле, могли быть широко представлены в нашей галактике, как считает астрофизик Джон Или из Университета Лидса.
Эти молекулы являются ступеньками между простыми молекулами, например оксидом углерода, и сложными органическими, которые нужны для создания жизни. Из этих «сырьевых ингредиентов» потом формируются сахара, аминокислоты и компоненты РНК. Такие диски окружали когда-то и молодое Солнце. Из них образовались планеты.
Для изучения «космических» молекул ученые использовали телескоп ALMA, который находится в Чили на высоте 5 километров. Телескоп улавливает даже очень слабые сигналы. Каждая молекула изучает уникальный спектр волн, оставляя неповторимый отпечаток. И структуру вещества в отдаленных частях космоса можно узнать по этим своеобразным «отпечаткам пальцев». Они позволяют ученым определять присутствие молекул и исследовать их свойства.
Прежде всего ученые искали присутствие трех молекул: циано-ацетилен (HC3N), ацетонитрил (CH3CN) (нитрил уксусной кислоты, используется как растворитель) и циклопропенилиден (c-C3H2). Эти молекулы были необходимы для появления жизни на нашей планете 4 миллиарда лет назад.
Ученые обнаружили эти органические молекулы в четырех из пяти наблюдаемых дисков. Кроме того, количество молекул оказалось значительно выше, чем ожидалось. «Молекулы расположены преимущественно во внутренних областях протопланетных дисков. Их оказалось в 10–100 раз больше, чем предсказывали математические модели», – заявил Джон Или.
Получается, что шансы на то, что даже в нашей галактике есть жизнь, намного выше, чем считалось ранее. Ведь все строи-тельные кирпичики уже на месте! Что ж, как видите, в нашей Вселенной есть достаточно органического материала, чтобы строить жизнь во всем ее многообразии.
Получается, что все мы состоим из частичек, которые были созданы миллиарды лет назад и вышли из недр гигантских звезд, которые когда-то взорвались как сверхновые.