звездная пыль что это такое
А что такое «звёздная пыль»?
До сих пор, говоря о межзвездной среде, мы имели в виду только межзвездный газ, но имеется и другая компонента. Речь идет о межзвездной пыли. Мы уже упоминали выше, что еще в прошлом столетии дебатировался вопрос о прозрачности межзвездного пространства. Только около 1930 года с несомненностью было доказано, что межзведное пространство действительно не совсем прозрачно. Поглощающая свет субстанция сосредоточена в довольно тонком слое около галактической плоскости. Сильнее всего поглощаются синие и фиолетовые лучи, между тем как поглощение в красных лучах сравнительно невелико.
Что же это за субстанция? Сейчас уже представляется доказанным, что поглощение света обусловленно межзвездной пылью, то есть твердыми микроскопическими частицами вещества, размерами меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав. Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени «ориентируются», то есть направления их вытянутости имеют тенденцию «выстраиваться» в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным.
Характернейшей особенностью межзвездной среды является большое разнообразие имеющихся в ней физических условий. Там имеются, во-первых, зоны, кинетическая температура которых различается на два порядка. Имеются сравнительно плотные облака с концентрацией частиц газа, превышающей несколько тысяч на кубический сантиметр, и весьма разряженная среда между облаками, где концентрация не превышает 0,1 частицы на кубический сантиметр. имеются, наконец, огромные области, где распространяются ударные волны от взрывов звезд.
Наряду с отдельными облаками как ионизированного так и неионизированного газа в Галактике наблюдаются значительно большие по своим размерам, массе и плотности агрегаты холодного межзвездного вещества, получившие название «газово-пылевых комплексов». Для нас самым существенным является то, что в таких газово-пылевых комплексах происходит важнейший процесс конденсации звезд из диффузной межзвездной среды.
Свет звёзд нагревает межзвёздную пыль до нескольких десятков Кельвинов, благодаря чему межзвёздная пыль является источником длинноволнового инфракрасного излучения.
Все люди состоят из остатков сверхновых: как это?
Наши тела состоят из атомов, образовавшихся от звезд, которые взорвались очень давно. Объясняем, как это произошло.
Читайте «Хайтек» в
Что значит «мы состоим из звездной пыли»? И что это?
Ученые предполагают, что Вселенной от 13 или 14 млрд, все началось с Большого взрыва.
Когда звезды подходят к концу жизни, они раздуваются, сбрасывая внешние слои. Если звезда достаточно тяжелая, она станет сверхновой. В основном это большие и древние звезды. Они оставляют после себя крошечные гранулы — звездную пыль, когда умирают и взрываются. Изучение этих гранул дало ученым подсказки о том, как звезды образовались в Млечном Пути и подтвердили теорию о том, что люди состоят из звездной пыли.
А из каких элементов состоит человек?
Ключевые элементы для жизни на Земле, часто называемые строительными блоками жизни, могут быть сокращены как CHNOPS.
CHON — мнемонический акроним для четырех наиболее распространенных химических элементов в живых организмах: углерода ( C), водорода ( H), кислорода ( O) и азота ( N). В свою очередь, акроним CHNOPS, расшифровывающийся как Carbon (углерод), Hydrogen (водород), Nitrogen (азот), Oxygen (кислород), Phosphorus (фосфор) и Sulfur (сера), представляет шесть наиболее важных химических элементов, чьи ковалентные комбинации составляют большую часть биологических молекул на Земле.
Сера используется в аминокислотах цистеин и метионин. Фосфор — необходимый элемент в формировании фосфолипидов, класса липидов, которые являются главным компонентом всех клеточных мембран, так как они могут формировать двойные липидные слои, которые сохраняют ионы, протеины и другие молекулы там, где они нужны для выполнения функций клетки, и предотвращают от их проникновения в те зоны, где их не должно быть. Фосфатные группы также являются необходимым компонентом основы нуклеиновых кислот.
В исследовании 2017 года ученые впервые каталогизировали изобилие этих элементов в огромной выборке звезд.
Подтверждение теории
Метеорит, который упал на Землю недалеко от города Мерчисон, штат Виктория (Австралия) в 1969 году, подробно изучили в 2017 году.
Он накапливал звездную пыль в течение миллиардов лет, которые провел в космосе, прежде чем упал на Землю. Результаты исследования 2017 года показали, что гранулы поглотили множество космических лучей. Самые старые зерна датированы примерно 7 млрд лет назад, а большинство — периодом от 4,6 до 4,9 млрд лет назад, а небольшая горстка — 5,6 млрд лет назад. Итак, все межзвездные частицы, обнаруженные в метеорите Мерчисон, возникли до образования нашей звезды и Солнечной системы.
Проведя исследование метеорита, ученые сделали вывод, что звездообразование в Млечном Пути не было постоянным. Относительно большое количество частиц, возраст которых составляет 4,6–4,9 млрд лет, предполагает, что эти зерна возникли во время интенсивного звездообразования.
Итак, что все это значит для нас с вами? Фактически весь материал, из которого мы сделаны, — это умирающие звезды. В человеке есть даже есть небольшое количество звездной пыли предполагаемого начала Вселенной 13,8 млрд лет назад.
Исследование 2017 года доказало это. В рамках эксперимента по галактической эволюции (APOGEE) проанализирован состав 150 000 звезд с помощью спектроскопии. Исследование показало, что люди и Млечный путь на 97% состоят одних и тех же атомов.
Недавно в изучении этого вопроса ученые продвинулись еще дальше.
Новое исследование углеродного слоя Земли
В Университете Мичигана ученые провели интересное исследование, которое связано с одной из гипотез происхождения человека. Она необычная, но пока не доказано то, что она не может иметь права на существование, ученые ищут доказательства того факта, что человек мог произойти из звездной пыли.
Исследователь Джи Ли — один из авторов этого исследования. Он считает, что большая часть углерода, который есть на Земле, появилась на Голубой планете из межзвездной среды. Этот материал может и до сих пор существовать в космосе между звездами и галактиками. Ученый полагает, что образование углеродного «слоя» на Земле произошло после того, как сформировался протопланетный диск. На тот момент облака различных соединений, в том числе пыли и газа, окружали молодое Солнце. Они могли также содержать строительные блоки планет.
Углерод мог быть изолирован в твердые частицы, это произошло в течение одно миллиона лет после того, как образовалось Солнце. То есть фактически углерод, который считается основой жизни на Земле, совершил беспрецедентное путешествие на нашу планету. Одна из версий ученых гласит, что углерод мог образоваться на Земле. Его основой вполне могли стать планеты, которые присутствовали в газе туманностей, а затем он опустился на скалистую планету в виде осадка, в котором и были молекулы.
Ряд ученых из разных стран мира сошлись во мнении, что эти молекулы могли нести углерод, но они не могли быть пригодными для построения Земли, поскольку в результате испарения он не конденсируется обратно в твердое тело. Ли отметил, что эта модель конденсации использовалась наукой на протяжении многих лет. И эта модель поддерживала теорию о том, что во время образования Солнца все элементы планеты испарились, а по мере охлаждения диска некоторые из этих газов конденсировались и поставляли химические ингредиенты твердым телам. Но не углерод.
Он не мог конденсироваться обратно в органическую форму, и потому, как предполагается в рамках нового исследования, что значительные объемы углерода Земли была унаследована от межзвездной среды, избежав испарения на сто процентов. Он мог проникнуть в ядро Земли и стать одной из основ строительных блоков первых форм жизни на нашей планете. И фактически версия о том, что человек произошел из межзвездной пыли в такой интерпретации имеет веские основания быть приемлемым вариантом.
Звездная пыль бесконечной Вселенной
В наше время трудно найти место, в котором ночью на небе можно увидеть тысячи звезд. Но все же, наверное, где-то это еще можно сделать. И если Вам повезло оказаться в таких местах, выйдите ночью на улицу. Поднимите голову. Вот они. Безмолвные жители космоса, которые манят к себе самыми разноцветными огнями…
Нас тянет к ним. Может быть так происходит потому, что мы — дети этих невероятно далеких космических обитателей?
Звучит странно. А знаете ли Вы, что почти все элементы, из которых состоит человеческое тело, были созданы внутри звезд? А некоторые из этих элементов родились лишь после целой череды взрывов сверхновых?
Да, друзья мои. Это так. Большинство элементов, составляющих человеческое тело, образовалось в звездах…
И мы — лишь остатки колоссальных космических взрывов. Звездная пыль Вселенной…
Первое поколение звезд
Звезды первого поколения образовались из газа, который под действием гравитации сжался в очень крупные объекты. Внутри которых начался процесс термоядерного синтеза. Первые звезды, которые образовались после Большого взрыва, были как минимум в 50 раз больше нашего Солнца. Однако физика звезд такова, что чем крупнее подобный объект, тем быстрее он сжигает свое топливо.
Первые звезды быстро сгорели. И в их недрах родилось лишь небольшое количество химических элементов тяжелее водорода и гелия. Когда эти звезды стали сверхновыми и выбросили произведенные ими элементы, в космосе появилось топливо для звезд следующего поколения.
Следующее поколение
А вот следующее поколение звезд могло производить уже более тяжелые элементы. Такие, как углерод, магний и другие. Поэтому любой химический элемент в Вашем теле, который тяжелее железа, прошел через печь хотя бы одной сверхновой. Современная астрофизика считает, что наше Солнце — это звезда третьего поколения звезд Вселенной. То есть почти вся материя, из которой оно состоит, как минимум дважды побывало внутри других, более древних звезд.
Подобный процесс называется галактической химической эволюцией. Любой химический элемент когда-то был рожден в звезде. И если объединить такие элементы в разных сочетаниях, можно получить любые виды газов и минералов. Из которых, в свою очередь формируются более крупные объекты, такие как астероиды. А из астероидов и других подобных объектов формируются планеты. А затем на этих планетах, при наличии нужных условий, может возникнуть жизнь. Ну и если повезет, разумная жизнь. Такая же, как на нашей Земле. Вот такой длинный путь пришлось пройти атомам Вашего тела…
Этот процесс продолжается уже около 13 миллиардов лет. А наша Солнечная система, как считается, образовалась всего лишь 4,5 миллиарда лет назад.
Наши тела, да и все что мы видим вокруг, — это звездная пыль, оставшаяся после взрывов древних сверхновых.
Внутри нас — звездная пыль?
Да, как мы разобрались, большинство элементов наших тел были сформированы в звездах. Этот процесс длился миллиарды лет. И потребовал принести в жертву множество звездных жизней.
Однако не исключено, что некоторая часть водорода в нашем теле, (который составляет приблизительно 9,5% от всех элементов) и даже лития, которого в нашем теле очень немного, родилась очень и очень давно. В момент Большого взрыва.
Звездная пыль старше Солнечной системы раскрывает удивительные загадки звездообразования
Найти на Земле породы возрастом в сотню миллионов лет не составляет особого труда — об этом явно говорят множество костей динозавров в музеях. С породами возрастом в миллиард лет ситуация обстоит сложнее, а самые старые имеют возраст 4.28 млрд лет. Это всего на 300 млн лет младше самой Земли, и обнаружены они были в зеленокаменном поясе в Канаде.
Земных пород древнее мы не найдем по очевидным причинам: во времена своей бурной молодости Земля имела расплавленную поверхность, и пока не образовались первые континентальные платформы ни о каких породах и речи не может быть. Но это не значит, что мы ограничены веществом, возраст которого «всего» 4.2 миллиарда лет. Метеориты дают нам достаточное количество материала, часть которого не менялась с момента их образования вместе с Солнечной системой 4.6 млрд лет назад. А некоторые из них имеют вкрапления звездной пыли, изучение которой отодвигает возраст исследованных нами материалов аж до 7 млрд лет!
История обыкновенного метеорита
Место падение особенного метеорита.
В 1969 году рядом с поселком Мерчисон в Австралии упал космический булыжник весом в 100 килограмм. Разумеется, ученые изучили его с учетом развития технологий своего времени и не нашли ничего интересного. Вновь к этому камню вернулись лишь в 2019 году, когда стало известно, что такие метеориты могут содержать внутри себя зерна досолнечной пыли (те, которые образовались еще до нашего Солнца).
На Земле такие частицы нельзя найти даже чисто теоретически — развитый вулканизм и тектоника плит давно уже расплавили такую пыль и смешали ее с другим веществом, опустив ее за миллиарды лет ближе к мантии. А вот метеориты, эти космические бродяги, вполне могут при формирования захватить несколько зерен досолнечной пыли и сохранить их внутри себя в своеобразной капсуле времени.
И Мерчисонский метеорит — как раз пример комической скалы, которая образовалась из газопылевого диска на заре формирования Солнечной системы, и с тех пор мирно летала по космосу больше 4 млрд лет, пока 50 лет назад не упала на Землю.
Исследование досолнечной пыли
Итак, к настоящему времени синтез элементов в звездах уже вполне ясен: из водорода образуется гелий, из гелия — углерод. Последний может превращаться в кислород, а тот — в кремний. Три из них нам мало интересны: водород, гелий и кислород в основном образуют летучие соединения, и найти их в метеоритах не представляется возможным. Остаются углерод и кремний.
Эти элементы обычно выбрасываются в космическую среду во время взрывов сверхновых, так что не удивительно, что их во вселенной достаточно много. Причем при сверхвысоких температурах в моменты гибели звезд они сплавляются вместе, образуя зерна карбид кремния — SiC. Это чрезвычайно твердое вещество, лишь чуть-чуть не дотягивающее по этому показателю до алмаза, которое к тому же очень устойчиво и способно выжить без изменений миллиарды лет в космосе. Поэтому у ученых появилась идея: а что если поискать зерна карбида кремния в старых метеоритах?
Автором идеи выступил Филипп Хек, куратор кафедры метеоритики в Университете естественных наук Чикаго. Он вместе с командой раскололи Мерчисонский метеорит на куски, после чего стали топить их в кислоте, которая должна была растворить минералы и силикаты и выявить устойчивые к кислотам досолнечные зерна. По словам Хека, ему этот процесс напоминает «сжигание стога сена для нахождения иголки».
Досолнечные зерна из карбида кремния.
Как и предполагалось, они обнаружили около 40 зерен карбида кремния размерами от 1 до 30 микрон — такие объекты пусть и с трудом, но можно увидеть в мощный современный оптический микроскоп. То, что эти зерна имеют внесолнечное происхождение, определили почти сразу: изотопы кремния и углерода в них не совпадали с соответствующими значениями для Солнечной системы. Оставалось самое главное — определить их возраст.
Для этого исследователи решили воспользоваться тем, что в космосе частицы высоких энергий, приходящие из различных источников, бомбардируют атомы в том числе и в зернах. В итоге внутри них появляются новые вещества, которые звезды обычно не вырабатывают, и по их количеству можно понять, как долго зерна подвергались облучению. Хек приводит такую аналогию: представьте, что вы ставите ведро на улицу во время дождя. Пока дождь идет с постоянной скоростью, вы можете вычислить, сколько времени ведро находилось снаружи, исходя из количества собранного дождя.
Исследователи смотрели на количество атомов изотопа неона-21, и результаты оказались интересными: большая часть зерен, около 60%, датируется примерно 4.6-4.9 млрд лет, а самым старым аж 7 млрд лет. К слову, такое большое количество частиц с одинаковым возрастом имеет объяснение. Они все произошли от «звездного бэби-бума», который прошел в нашей галактике около 7 млрд лет назад. «А потом понадобилось от двух до двух с половиной миллиардов лет, чтобы эти звезды стали пылеобразователями», — объяснил Хек. «Когда звезда образуется, она не производит пыль. В течение большей части своей жизни звезда не производит пыль. Звезды производят пыль только в конце своей жизни».
Это открытие подтверждает выводы других астрономов, которые указывают на резкий всплеск звездообразования около 7 миллиардов лет назад. «Многие астрофизики считают, что звезды формируются в Млечном Пути с примерно постоянной скоростью. Однако благодаря этому метеориту и зернам досолнечной пыли мы получили первые прямые доказательства того, что это не так. 7 млрд лет назад в нашей галактике произошло событие, резко ускорившее формирование новых солнц», — добавил Хек. К слову, эти звезды можно назвать родителями Солнца: именно их вещество образовало газопылевой диск, из которого родилось Солнце и наша Земля.
Как пахнет история?
Обломки Мерчисонского метеорита.
Измельчение и анализ кусков космического камня также подарили исследователям необычный побочный продукт — сильный и очень резкий запах. Крошево из метеорита испускало зловоние «как протухшее арахисовое масло», — говорится в заявлении соавтора исследования Дженики Грир, аспирантки Чикагского университета.
По словам Хека, в этом нет ничего удивительного: летучие органические соединения в скалистых метеоритах, являющиеся абиотическими — не образованными живыми организмами — создают эти характерные запахи при нагревании или растворении. А Мерчисонский метеорит был особенно вонючим. Когда Хек посетил Мерчисон в 2019 году на 50-летие падения метеорита, он поговорил с людьми, которые были свидетелями этого события или собирали фрагменты космического камня. Многие из них рассказывали истории об особом аромате метеорита.