Tvorba atómových jadier. Evolúcia hviezd, vznik chemických prvkov a planetárny chemický vývoj Ako vznikali chemické prvky vo vesmíre

Pôvod chemických prvkov vo vesmíre

Tvorba chemických prvkov na Zemi

Každý vie periodická tabuľka chemických prvkov - stôl Mendelejev . Je tam pomerne veľa prvkov a fyzici neustále pracujú na vytváraní stále väčšieho množstva ťažkého transuránu prvkov . V jadrovej fyzike je veľa zaujímavých vecí, ktoré súvisia so stabilitou týchto jadier. Existujú všetky druhy ostrovov stability a ľudia pracujúci na zodpovedajúcich urýchľovačoch sa snažia vytvoriť chemický prvkov s veľmi vysokými atómovými číslami. Ale všetky tieto prvkov Nežijú veľmi dlho. To znamená, že z toho môžete vytvoriť niekoľko jadier element , majte čas niečo preskúmať, dokázať, že ste to naozaj syntetizovali a objavili toto element . Získajte právo dať tomu meno, možno dostanete Nobelovu cenu. Ale v povahe týchto chemické prvky Zdá sa, že nie, ale v skutočnosti môžu v niektorých procesoch vzniknúť. Ale rozpadajú sa v absolútne zanedbateľných množstvách a v krátkom čase. Preto v Vesmír , v podstate vidíme prvkov počnúc uránom a zapaľovačom.

Evolúcia vesmíru

ale Vesmír ten náš sa vyvíja. A vo všeobecnosti, akonáhle prídete na myšlienku nejakého druhu globálnej zmeny, nevyhnutne prídete na myšlienku, že všetko, čo vidíte okolo, v tom či onom zmysle, podlieha skaze. A ak sme sa s tým v zmysle ľudí, zvierat a vecí ako-tak zmierili, potom sa niekedy zdá byť čudné urobiť ďalší krok. Napríklad, je voda vždy voda alebo je železo vždy železo?! Odpoveď je nie, pretože sa to vyvíja. Vesmír vo všeobecnosti a kedysi, prirodzene, neexistovala Zem, napríklad Zem a všetky jej zložky boli rozptýlené v nejakej hmlovine, z ktorej sa vytvorila slnečná sústava. Musíte ísť ešte viac dozadu a ukáže sa, že kedysi dávno neexistoval len Mendelejev a jeho periodická tabuľka, ale neboli v ňom zahrnuté žiadne prvky. Keďže náš Vesmír sa narodil, prešiel veľmi horúcim, veľmi hustým stavom. A keď je horúca a hustá, všetky zložité štruktúry sú zničené. A tak vo veľmi ranej histórii Vesmír neexistovali nám žiadne stabilné látky alebo dokonca elementárne častice.

Pôvod ľahkých chemických prvkov vo vesmíre

Vznik chemického prvku vodíka

Ako Vesmír sa rozpínal , ochladili a stali sa menej hustými, objavili sa nejaké častice. Zhruba povedané, môžeme priradiť energiu každej hmotnosti častice pomocou vzorca E=mc 2 . Ku každej energii môžeme priradiť teplotu a keď teplota klesne pod túto kritickú energiu, častica sa môže stať stabilnou a môže existovať.
Respektíve Vesmír sa rozpína , ochladzuje sa a prirodzene sa objavuje ako prvý z periodickej tabuľky vodík . Pretože je to len protón. To znamená, že sa objavili protóny, a to môžeme povedať vodík . V tomto zmysle Vesmír na 100% pozostáva z vodíka, tmavej hmoty, tmavej energie a množstva žiarenia. Ale z bežnej hmoty existuje len vodík . Objavte sa protóny , začnú sa objavovať neutróny . Neutróny trochu ťažšie protóny a to vedie k tomu, že neutróny sa javí o niečo menej. Aby v hlave boli nejaké dočasné faktory, hovoríme o prvých zlomkoch sekundy života Vesmír .

"Prvé tri minúty"
Objavil sa protóny A neutróny , zdá sa byť horúci a tesný. A s protón A neutrón môžu začať termonukleárne reakcie, ako v hlbinách hviezd. Ale v skutočnosti je stále príliš horúca a hustá. Preto musíte počkať trochu a niekde od prvých sekúnd života Vesmír až do prvých minút. Existuje známa kniha od Weinberga s názvom "Prvé tri minúty" a venuje sa tejto etape života Vesmír .

Pôvod chemického prvku hélium

V prvých minútach začnú prebiehať termonukleárne reakcie, pretože všetky Vesmír podobne ako vo vnútri hviezdy a môžu prebiehať termonukleárne reakcie. začať sa formovať izotopy vodíka – deutérium a zodpovedajúcim spôsobom trícium . Začínajú sa vytvárať ťažšie chemické prvky – hélium . Je však ťažké posunúť sa ďalej, pretože stabilné jadrá s počtom častíc 5 A 8 Nie A ukáže sa, že je to taká komplikovaná zástrčka.
Predstavte si, že máte miestnosť posiatu dielikmi Lega a potrebujete behať a zostavovať konštrukcie. Ale detaily sa rozptýlia alebo sa miestnosť rozšíri, teda akosi sa všetko hýbe. Je pre vás ťažké zbierať súčiastky a okrem toho napríklad dáte dve dohromady a potom poskladáte ďalšie dve. Ale nie je možné vložiť piaty. A preto v týchto prvých minútach života Vesmír , v podstate stíha len formovať hélium , málo lítium , málo deutérium zvyšky. Jednoducho v týchto reakciách zhorí, zmení sa na to isté hélium .
Takže v podstate Vesmír ukazuje sa, že pozostáva z vodík A hélium , po prvých minútach svojho života. Plus veľmi malý počet trochu ťažších prvkov. A tu sa skončilo počiatočné štádium formovania periodickej tabuľky. A nasleduje pauza, kým sa neobjavia prvé hviezdy. Hviezdy sa opäť ukážu ako horúce a husté. Vytvárajú sa podmienky na pokračovanie termonukleárna fúzia . A hviezdy trávia väčšinu svojho života syntézou hélium od vodík . To znamená, že je to stále hra s prvými dvoma prvkami. Preto kvôli existencii hviezd, vodík sa zmenšuje hélium zväčšovať sa. Je však dôležité pochopiť, že z väčšej časti je látka v Vesmír nie je vo hviezdach. Väčšinou bežná hmota roztrúsená všade Vesmír v oblakoch horúceho plynu, v kopách galaxií, vo vláknach medzi kopami. A tento plyn sa nikdy nemôže zmeniť na hviezdy, teda v tomto zmysle, Vesmír bude stále pozostávať hlavne z vodík A hélium . Ak hovoríme o bežnej látke, ale na tomto pozadí sa na percentuálnej úrovni znižuje množstvo ľahkých chemických prvkov a zvyšuje sa množstvo ťažkých prvkov.

Hviezdna nukleosyntéza

A tak po počiatočnej ére nukleosyntéza , nastáva éra hviezd nukleosyntéza , ktorá trvá dodnes. Vo hviezde, na začiatku vodík mení sa v hélium . Ak to podmienky umožňujú a podmienky sú teplota a hustota, potom prebehnú nasledujúce reakcie. Čím ďalej sa pohybujeme po periodickej tabuľke, tým ťažšie je začať tieto reakcie, tým sú potrebné extrémnejšie podmienky. Podmienky sa vytvárajú v hviezde samy od seba. Hviezda na seba tlačí, jej gravitačná energia je v rovnováhe s jej vnútornou energiou spojenou s tlakom plynu a štúdiom. V súlade s tým, čím je hviezda ťažšia, tým viac sa stláča a dostáva vyššiu teplotu a hustotu v strede. A tam môžu ísť ďalší atómové reakcie .

Chemický vývoj hviezd a galaxií

Na Slnku po syntéze hélium , spustí sa a vytvorí sa ďalšia reakcia uhlíka A kyslík . Reakcie ďalej nepôjdu a Slnko sa zmení na kyslík-uhlík biely trpaslík . Ale zároveň budú odhodené vonkajšie vrstvy Slnka, už obohatené fúznou reakciou. Slnko sa zmení na planetárnu hmlovinu, vonkajšie vrstvy sa rozletia. A z väčšej časti sa vyvrhnutá hmota po zmiešaní s hmotou medzihviezdneho média môže stať súčasťou ďalšej generácie hviezd. Takže hviezdy majú takýto vývoj. Existuje chemická evolúcia galaxie , každá nasledujúca hviezda, ktorá sa vytvorí, v priemere obsahuje viac a viac ťažkých prvkov. Preto úplne prvé hviezdy, ktoré vznikli z čistého vodík A hélium , nemohli mať napríklad kamenné planéty. Pretože ich nebolo z čoho vyrobiť. Bolo nevyhnutné, aby prešiel evolučný cyklus prvých hviezd a tu je dôležité, že masívne hviezdy sa vyvíjajú najrýchlejšie.

Pôvod ťažkých chemických prvkov vo vesmíre

Pôvod chemického prvku železo

Slnko a jeho celková životnosť je takmer 12 miliárd rokov. A masívne hviezdy žijú niekoľkokrát miliónov rokov. Prinášajú reakcie na žľaza a na konci života vybuchnú. Počas výbuchu, okrem najvnútornejšieho jadra, je všetka hmota vyhodená von, a preto je prirodzene vyhodené veľké množstvo vodík , ktoré zostali nespracované vo vonkajších vrstvách. Dôležité ale je, aby sa vyhodilo veľké množstvo kyslík , kremík , horčík , to už je dosť ťažké chemické prvky , trochu nedosahuje žľaza a tí, ktorí sú s ním príbuzní, nikel A kobalt . Veľmi zvýraznené prvky. Možno si pamätám tento obrázok zo školských čias: číslo chemický prvok a uvoľňovanie energie počas fúznych alebo rozkladných reakcií a tam sa takéto maximum získa. A železo, nikel, kobalt sú na samom vrchole. To znamená, že rozpad ťažké chemické prvky ziskový až žľaza , syntéza z pľúc je prospešná aj pre železo. Je potrebné minúť ďalšiu energiu. Podľa toho sa pohybujeme zo strany vodíka, zo strany ľahkých prvkov a termonukleárna fúzna reakcia vo hviezdach môže dosiahnuť železo. Musia prísť s uvoľnením energie.
Keď masívna hviezda exploduje, železo , v podstate sa nevyhadzuje. Zostáva v centrálnom jadre a mení sa na neutrónová hviezda alebo čierna diera . Ale sú vyhodené chemické prvky ťažšie ako železo . Pri iných výbuchoch sa uvoľňuje železo. Bieli trpaslíci môžu explodovať, čo zostane napríklad zo Slnka. Samotný biely trpaslík je veľmi stabilný objekt. Ale má obmedzujúcu hmotnosť, keď stratí túto stabilitu. Začína sa termonukleárna spaľovacia reakcia uhlíka .

Výbuch supernovy
A ak je to obyčajná hviezda, je to veľmi stabilný objekt. Trochu ste ho v strede zahriali, bude na to reagovať, roztiahne sa. Teplota v strede klesne a všetko sa samo reguluje. Bez ohľadu na to, ako veľmi sa zahrieva alebo chladí. A tu biely trpaslík nemôžem to urobiť. Spustili ste reakciu, chce expandovať, ale nemôže. Preto termonukleárna reakcia rýchlo pokryje celého bieleho trpaslíka a ten úplne exploduje. Ukázalo sa Výbuch supernovy typu 1A a toto je veľmi dobrá, veľmi dôležitá supernova. Dovolili jej otvorenie. Najdôležitejšie však je, že pri tomto výbuchu je trpaslík úplne zničený a veľa sa tam syntetizuje žľaza . Všetky žľazy ach okolo, všetky klince, orechy, sekery a všetko železo je v nás, môžete si napichnúť prst a pozrieť sa na to alebo ochutnať. Tak to je všetko železo pochádza z bielych trpaslíkov.

Pôvod ťažkých chemických prvkov

Existujú však ešte ťažšie prvky. Kde sa syntetizujú? Dlho sa verilo, že hlavným miestom syntézy je viac ťažké prvky , Toto Výbuchy supernov spojené s masívnymi hviezdami. Pri výbuchu, teda keď je veľa energie navyše, keď lietajú všelijaké veci navyše neutróny je možné uskutočňovať reakcie, ktoré sú energeticky nepriaznivé. Ide len o to, že podmienky sa vyvinuli týmto spôsobom a v tejto rozptýlenej látke môžu prebiehať reakcie, ktoré syntetizujú dostatok ťažké chemické prvky . A naozaj prichádzajú. veľa chemické prvky , ťažšie ako železo, vznikajú týmto spôsobom.
Navyše aj hviezdy, ktoré v určitom štádiu svojho vývoja, keď sa zmenili, nevybuchnú červených obrov dokáže syntetizovať ťažké prvky . Prebiehajú v nich termonukleárne reakcie, v dôsledku ktorých vzniká zopár voľných neutrónov. Neutrón , v tomto zmysle je veľmi dobrá častica, keďže nemá náboj, ľahko prenikne do atómového jadra. A po preniknutí do jadra sa neutrón môže zmeniť na protón . A podľa toho prvok preskočí na ďalšiu bunku periodická tabuľka . Tento proces je dosť pomalý. To sa nazýva s-proces , od slova pomaly. Ale je to dosť účinné a veľa chemické prvky sa týmto spôsobom syntetizujú v červených obroch. A v Supernovach to ide r-proces , teda rýchlo. Mimochodom, všetko sa naozaj deje vo veľmi krátkom čase.
Nedávno sa ukázalo, že existuje ďalšie dobré miesto pre r-proces, s ktorým nesúvisí výbuch supernovy . Je tu ešte jeden veľmi zaujímavý jav – zlúčenie dvoch neutrónových hviezd. Hviezdy sa radi rodia v pároch a masívne hviezdy sa väčšinou rodia v pároch. 80-90% masívne hviezdy sa rodia v binárnych systémoch. V dôsledku evolúcie môžu byť dvojníci zničení, ale niektorí sa dostanú až na koniec. A keby sme mali v našom systéme 2 masívne hviezdy, môžeme získať systém dvoch neutrónových hviezd. Potom sa k sebe vplyvom vyžarovania gravitačných vĺn priblížia a nakoniec splynú.
Predstavte si, že vezmete objekt veľkosti 20 km s hmotnosťou jeden a pol hmotnosti Slnka a takmer s rýchlosť svetla , položte ho na iný podobný objekt. Aj podľa jednoduchého vzorca sa kinetická energia rovná (mv 2)/2 . Ak ako m povedzme, že nahrádzate 2 hmotnosť Slnka, as v dať tretiu rýchlosť svetla , môžete počítať a získať absolútne fantastická energia . Uvoľní sa aj vo forme gravitačných vĺn, zrejme v inštalácii LIGO Už vidia takéto udalosti, ale my o tom ešte nevieme. Ale zároveň, keďže sa skutočné predmety zrazia, skutočne dôjde k výbuchu. Uvoľňuje sa veľa energie gama rozsah , V röntgen rozsah. Vo všeobecnosti vo všetkých rozsahoch a časť tejto energie ide do syntéza chemických prvkov .

Pôvod chemického prvku zlato

Pôvod chemického prvku zlato
A moderné výpočty, napokon sú potvrdené pozorovaniami, ukazujú, že napr. zlato sa rodí práve v takýchto reakciách. Taký exotický proces, akým je spojenie dvoch neutrónových hviezd, je skutočne exotický. Aj v tak veľkom systéme, ako je ten náš galaxia , stane sa asi raz za každý 20-30 tisíc rokov. Zdá sa to byť dosť zriedkavé, ale stačí niečo syntetizovať. No, alebo naopak, môžeme povedať, že sa to stáva tak zriedka, a preto zlato také vzácne a drahé. A vo všeobecnosti je jasné, že mnohí chemické prvky sú pomerne zriedkavé, hoci sú pre nás často dôležitejšie. Vo vašich smartfónoch sa používajú najrôznejšie kovy vzácnych zemín a moderní ľudia by radšej žili bez zlata ako bez smartfónu. Všetky tieto prvky nestačia, pretože sa rodia v niektorých zriedkavých astrofyzikálnych procesoch. A väčšinou sú všetky tieto procesy, tak či onak, spojené s hviezdami, s ich viac-menej tichým vývojom, ale s neskoršími štádiami, výbuchmi masívnych hviezd, s výbuchmi. bielych trpaslíkov alebo podmienky neutrónové hviezdy .

V koncepciách vedy 18.-19. hmota bola večná a otázka pôvodu chemických prvkov by bola jednoducho nesprávna. Ak je hmota večná, potom nemá pôvod. V 20. storočí situácia sa rýchlo menila. Bola vyvinutá teória relativity, objavená expanzia Vesmíru, vyvinutá teória štruktúry a vývoja hviezd, objavené takzvané reliktné žiarenie, úzko súvisiace s rozširovaním Vesmíru. To všetko viedlo k najpravdepodobnejšej, aj keď ťažko uchopiteľnej teórii Veľkého tresku. Verí sa, že vesmír začal svoju existenciu nepochopiteľným (zatiaľ?) impulzom, ktorý viedol k expanzii gigantického zhluku hmoty z jedného bodu, ktorý trvá dodnes.

Pri skúmaní látok a ich chemických premien je celkom prirodzené zamyslieť sa nad otázkou, odkiaľ sa vzali všetky tie typy atómov, z ktorých sa látky skladajú a ktoré samotné nepodliehajú premenám pri chemických reakciách? Na túto otázku sa pokúsime stručne odpovedať, pokiaľ je to v súčasnosti možné.

Podľa rôznych zdrojov sa Veľký tresk odohral pred 15 až 18 miliardami rokov. V neuveriteľne horúcom a hustom, rýchlo sa rozširujúcom a chladnúcom zhluku hmoty nepretržite vznikali určité „generácie“ častíc, ktoré zodpovedali meniacim sa podmienkam.

Po troch minútach expanzie a ochladzovania plazmy sa objavila sada častíc, ktoré sa až do vzniku hviezd nezmenili. Najdôležitejšie vlastnosti tohto zloženia spočívajú v tom, že vo vesmíre bol vytvorený pomer medzi protónmi a fotónmi, ktorý sa rovná 1:10 9 . To je ohromujúci počet fotónov (ale v porovnaní s atómami) a v súčasnosti vypĺňa priestor vo forme kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, ktoré nemá zdroj.

Počas niekoľkých minút expanzie sa vesmír ochladil natoľko, že rýchlosť jadrových reakcií medzi existujúcimi časticami klesla na nulu. Neutróny sa spojili s protónmi a vytvorili deutérium a jadrá deutéria sa rýchlo spojili a vytvorili jadrá hélia (4 He). Počiatočné podmienky vo vesmíre sa ukázali byť také, že neutrónov bolo dosť na vytvorenie približne 10 % hélia z celkového počtu jadier. Zvyšné protóny sa zachovali vo voľnej forme a spolu s elektrónmi neskôr vytvorili chemický prvok vodík. Ak by bolo vo vesmíre viac neutrónov, mohlo by v hmote prevládať hélium, čo by radikálne ovplyvnilo následné procesy tvorby hviezd. Hélium vo hviezdach by sa zmenilo na ťažké prvky niekoľkonásobne rýchlejšie ako vodík a životnosť hviezd by sa výrazne skrátila. To by samozrejme ovplyvnilo možnosť evolúcie biologického života.

Ďalší typ častice, ktorý má pokojovú hmotnosť a je potrebný na tvorbu atómov, elektróny, je zachovaný v množstve približne rovnakom ako počet protónov. Skutočnosť existencie týchto častíc je svojím spôsobom pozoruhodná a nebola vysvetlená. Všetky tri častice – protóny, neutróny a elektróny – majú svoje vlastné antičastice: antiprotóny ( R~), antineutróny (I) a antielektróny (pozitróny, e). Keď sa častica a antičastica zrazia, anihilujú a nakoniec sa premenia na fotóny. Pri teplotách v miliardách stupňov fotóny nepretržite produkujú páry elektrón-pozitrón ( e~ - e+), ktoré opäť anihilujú a menia sa na fotóny. Elektróny, pozitróny a fotóny sú teda v rovnováhe. Keď sa teplota s rozpínaním vesmíru znižuje, energia fotónov sa stáva nedostatočnou na vytvorenie párov e~ - e + , všetky existujúce páry anihilujú a deteguje sa malý prebytok elektrónov, ktoré sú zachované pre nasledujúce časy. Tento prebytok je malý v porovnaní s počtom dostupných fotónov, ako je uvedené vyššie. To isté platí pre protóny, ktoré sa ukázali byť o niečo početnejšie ako antiprotóny. Jedným z predpokladov pre vznik atómov bola teda mierna nerovnováha častíc a antičastíc.

Po milióne rokov rozpínania a ochladzovania vesmíru klesla teplota na -4000 K. To je teplotná hranica, pod ktorou sú elektróny zachytávané príťažlivosťou jadier a vznikajú „kompletné“ atómy. Neutrálne hélium sa objavuje pri mierne vyššej teplote ako vodík, pretože jeho ionizačná energia je väčšia.

O existencii iných chemických prvkov ako vodíka s jeho izotopom deutériom a héliom sa doteraz nehovorilo nič. V štádiu vývoja pred objavením sa hviezd v skutočnosti neexistovali. Hviezdy začali vznikať v dôsledku gravitačnej kondenzácie hmoty po vzniku neutrálnych atómov. Čas objavenia sa galaxií a ich hviezd nie je dostatočne istý. Z hľadiska fyziky sa ukázalo jednoduchšie vyvinúť teóriu procesov, ktoré nastali v prvých minútach po Veľkom tresku, ako „scenár“ ďalších udalostí spojených s fragmentáciou hmoty na jednotlivé galaxie a hviezdy. . Ako vodítko môžeme vziať, že prvá generácia hviezd vznikla miliardu rokov po Veľkom tresku.

Počas gravitačného stláčania zhluku zmesi vodíka a hélia sa potenciálna energia zmenila na kinetickú energiu a zodpovedajúcim spôsobom sa zvýšila teplota. Keď dosiahol 10-15 miliónov stupňov, v centrálnej oblasti protohviezdy začali (jadrové) termonukleárne reakcie a hviezda začala horieť. Vodík aj hélium sa zúčastňujú termonukleárnych reakcií. Vodík sa najprv premení na hélium prostredníctvom reťazca reakcií:

• 2R + = d + + e ++ v veľmi pomaly; d + + p + = 3 Nie 2+ + y rýchlo;
• 2 3 He 2+ = 4 He 2+ + 2pomerne pomaly (tu b/ + je deuterón, e + je pozitrón, v je neutríno, y je gama kvantum).

Možno si položiť otázku: prečo sa vodík nepremenil týmito postupnými reakciami v prvých minútach po Veľkom tresku na hélium, ale zmenil sa na hviezdy? Dôvod je veľmi jednoduchý. V prvých minútach priaznivá teplota pre tento proces chvíľu trvala, pretože vesmír sa rozpínal a ochladzoval a vo hviezdach tento proces prebieha akoby v režime tlenia v stacionárnych podmienkach. Pomalosť prvej fázy je spôsobená slabosťou jadrová interakcia a je jednou z podmienok dlhej existencie hviezdy. Po vyhorení vodíka v jadre teplota stúpa a pri ~1 10 8 stupňoch začína „spaľovanie“ hélia, čo je postupná fúzia jeho jadier do jadier nasledujúcich prvkov, sprevádzaná uvoľňovaním obrovských energie. Keď sa zrazia dve jadrá, nevytvorí sa 4 nestabilné jadro 8 Be. Tento izotop berýlia vôbec neexistuje. Ale ak po zrážke dvoch jadier rýchlo nasleduje zrážka s tretím jadrom hélia, tak vznikne jadro uhlíka 12 C. Toto jadro reaguje s héliom ďalej a mení sa na kyslík 16 0. Úžasné šťastie (z pohľadu prítomnosti hmoty pre existenciu života) je, že reakcia uhlíka s héliom je dosť pomalá. Preto sa pri tvorbe kyslíka zachováva aj značné množstvo uhlíka potrebného pre život. Tým sa dokončí fáza spaľovania hélia. Keď teplota ďalej stúpa, uhlík a kyslík horia. Pri reakciách medzi jadrami uhlíka alebo medzi jadrami kyslíka vznikajú ťažšie prvky horčík, sodík, síra, fosfor, kremík a pod., za súčasného uvoľňovania protónov, neutrónov a častíc alfa. Posledne menované, postupne spájajúce stabilné jadrá, napríklad 28Si, tvoria chemické prvky až po železo.

Hviezdu možno nazvať kotlom, v ktorom sa varia suroviny a menia sa na súbor chemických prvkov. Ale hotový výrobok musí byť odstránený z kotla. Bez toho sa vytvorené prvky v útrobách hviezdy nijako neprejavia. Tu sa veľmi užitočne odhaľuje schopnosť hviezd určitého typu explodovať. V zodpovedajúcom štádiu vývoja hviezdy, vo vrstve v určitej vzdialenosti od stredu, sa sila uvoľňovania energie zvyšuje ako lavína. Výsledný tlak zmetie celú vonkajšiu hmotu hviezdy do priestoru a súčasne stlačí zostávajúcu centrálnu časť. Toto je výbuch nepredstaviteľnej sily. V krátkom čase sa svietivosť hviezdy zvýši na svietivosť celej galaxie. V tomto prípade jadrové procesy vedú k tvorbe všetkých prvkov ťažších ako železo. Hviezda odhodí svoju škrupinu, ktorá sa rozplynie v okolitom priestore.

Teraz je medzihviezdny plyn obohatený o všetky chemické prvky. Treba tiež zdôrazniť, že prvky vytvorené v jadre hviezdy tvoria v priemere len 1-2% z celkového množstva hmoty v hviezde. V medzihviezdnom plyne stále dominuje vodík a hélium. Ďalšia generácia hviezd, planét, ich satelitov a komét sa tvorí z materiálu explodovaných hviezd. V astrofyzike sa uvažuje aj o iných spôsoboch vzniku ťažkých prvkov, najmä v jadrách galaxií. Ale to len dopĺňa základný fakt, ktorý sa scvrkáva na fakt, že všetky ťažké prvky sú tvorené z primárnych prvkov – vodíka a hélia.

Známy citát Carla Sagana hovorí, že všetci sme z hviezdneho prachu. Toto tvrdenie je vo všeobecnosti blízko pravde. Bezprostredne po veľkom tresku sa vesmír skladal z vodíka, hélia a malého množstva lítia. Tieto prvky však nie sú vhodné na vznik kamenných planét. Vo vesmíre by sa Zem nikdy nezrodila iba z vodíka a hélia.

Našťastie pre nás je vnútro hviezd skutočnou chemickou kováčňou. Pri syntéznych reakciách v nich môžu vznikať prvky až po železo. Keď sa hviezda zmení na červeného obra a potom odhodí vonkajšie vrstvy svojej atmosféry (štádium planetárnej hmloviny), prvky syntetizované v jej hĺbkach sa rozptýlia po celej galaxii a nakoniec sa stanú súčasťou oblakov plynu a prachu, z ktorých hviezdy novej generácie a rodia sa planéty.

Čokoľvek ťažšie ako železo sa zvyčajne syntetizuje v dôsledku výbuchov supernov alebo kolízií neutrónových hviezd. Práve tie sú hlavným zdrojom vzhľadu takých prvkov, ako je zlato a platina.

Zloženie zvyšku supernovy Cassiopeia A

Infografiku nižšie pripravil tím röntgenového teleskopu Chandra. Ukazuje pôvod chemických prvkov v slnečnej sústave. Oranžová zobrazuje prvky vzniknuté pri výbuchu hmotných hviezd, žltá - v hĺbke umierajúcich hviezd s nízkou hmotnosťou ako je naše Slnko, zelená - počas Veľkého tresku, modrá - pri výbuchu bielych trpaslíkov (supernov typu Ia), fialová - počas zlúčenie neutrónových hviezd, ružová - od - pre kozmické žiarenie, biela - syntetizovaná v laboratóriách.

Pokiaľ ide o ľudské telo, 65% jeho hmotnosti sa využíva na kyslík. Všetok kyslík v slnečnej sústave pochádza zo supernov typu II. To isté platí pre približne 50 % všetkého vápnika a 40 % železa. Preto sa takmer tri štvrtiny prvkov v našom tele zrodili počas výbuchov masívnych hviezd. 16,5 % pochádza z materiálu vyvrhnutého červenými obrami, 1 % zo supernov typu Ia. Saganovo tvrdenie je teda približne na 90 % presné. Práve táto časť našich tiel je produktom hviezdneho vývoja.

Po mnoho storočí človek študuje rôzne prírodné javy a objavuje ich zákony jeden po druhom. Avšak aj teraz existuje veľa vedeckých problémov, o ktorých ľudia dlho snívali o ich vyriešení. Jedným z týchto zložitých a zaujímavých problémov je pôvod chemických prvkov, ktoré tvoria všetky telá okolo nás. Človek krok za krokom spoznával podstatu chemických prvkov, štruktúru ich atómov, ako aj rozšírenosť prvkov na Zemi a iných kozmických telesách.

Štúdium zákonitostí jadrových reakcií nám umožňuje vytvoriť teóriu pôvodu chemických prvkov a ich rozšírenosti v prírode. Podľa jadrovej fyziky a astrofyziky dochádza k syntéze a transformácii chemických prvkov počas vývoja hviezd. Tvorba atómových jadier sa uskutočňuje buď v dôsledku termonukleárnych reakcií, alebo prostredníctvom reakcií absorpcie neutrónov jadrami.V súčasnosti sa všeobecne uznáva, že rôzne jadrové reakcie prebiehajú vo hviezdach vo všetkých štádiách ich vývoja. Evolúciu hviezd spôsobujú dva protichodné faktory: gravitačná kompresia vedúca k zmenšeniu objemu hviezdy a jadrové reakcie sprevádzané uvoľňovaním obrovského množstva energie.

Ako ukazujú moderné údaje z jadrovej fyziky a astrofyziky, k syntéze a premene prvkov dochádza vo všetkých štádiách vývoja hviezd ako prirodzený proces ich vývoja. Moderná teória pôvodu chemických prvkov je teda založená na predpoklade, že sú syntetizované v rôznych jadrových procesoch vo všetkých štádiách hviezdneho vývoja. Každému stavu hviezdy a jej veku zodpovedajú určité jadrové procesy syntézy prvkov a zodpovedajúce chemické zloženie. Čím je hviezda mladšia, tým viac svetelných prvkov obsahuje. Najťažšie prvky sa syntetizujú iba počas procesu výbuchu - umierania hviezdy. V hviezdnych mŕtvolách a iných kozmických telesách nižšej hmotnosti a teploty stále prebiehajú látkové transformačné reakcie. Za týchto podmienok prebiehajú reakcie rozpadu jadra a rôzne procesy diferenciácie a migrácie.

Štúdium množstva chemických prvkov vrhá svetlo na pôvod slnečnej sústavy a umožňuje nám pochopiť pôvod chemických prvkov. V prírode teda dochádza k večnému zrodu, premene a rozpadu atómových jadier.Súčasný názor o jednorazovom akte vzniku chemických prvkov je prinajmenšom nesprávny. V skutočnosti sa atómy večne (a neustále) rodia, večne (a neustále) umierajú a ich prirodzenosť zostáva nezmenená. "V prírode neexistuje žiadna priorita stvorenia alebo zničenia - jedno vzniká, druhé je zničené."

Vo všeobecnosti, vychádzajúc z moderných koncepcií, väčšina chemických prvkov, okrem niekoľkých najľahších, vznikla vo vesmíre najmä pri sekundárnej alebo hviezdnej nukleosyntéze (prvky až po železo – ako výsledok termonukleárnej fúzie, ťažšie prvky – pri sekvenčnom zachytávaní neutrónov atómovými jadrami a následným beta rozpadom, ako aj pri množstve ďalších jadrových reakcií). Najľahšie prvky (vodík a hélium - takmer úplne, lítium, berýlium a bór - čiastočne) vznikli v prvých troch minútach po veľkom tresku (primárna nukleosyntéza). Jedným z hlavných zdrojov obzvlášť ťažkých prvkov vo Vesmíre by podľa výpočtov mali byť zlučovanie neutrónových hviezd s uvoľňovaním značného množstva týchto prvkov, ktoré sa následne podieľajú na vzniku nových hviezd a ich planét.

NOVÉ ÚDAJE

Ruskí vedci našli dôkazy o tom, ako sa vo vesmíre objavujú ťažké prvky, z ktorých vznikli planéty a v konečnom dôsledku aj ľudia. Článok o tom vyšiel v jednom z najprestížnejších vedeckých časopisov – Nature. Doteraz sa verilo, že ťažké prvky ako železo a kremík sa zrodili pri výbuchu takzvaných supernov. Táto teória má veľa nepriamych dôkazov, no priame dôkazy neexistovali. Astrofyzikom sa podarilo zaregistrovať najmä rozpad teoreticky predpovedaných izotopov rádioaktívneho kobaltu-56 a železa-56 vo zvyšku jednej zo supernov. Na potvrdenie teórie to však zjavne nestačí. Možno to všetko skončilo kobaltom a železom. Ako sa však objavili ďalšie prvky?

Teória naznačila smer ďalšieho hľadania – izotop titánu (titán-44). Práve on by sa mal narodiť po rozpade kobaltu a železa. Je jasné, že astrofyzici na celom svete sa zameriavajú na titán. Ale bez úspechu. Bolo ťažké to pochopiť a už sa objavili pochybnosti, či je teória správna? Verna! Tento záver vyplýva z práce ruských fyzikov z Inštitútu pre výskum vesmíru Ruskej akadémie vied a Chrisa Winklera, pracovníka Európskeho centra pre výskum vesmíru a technológie. Pomocou medzinárodného orbitálneho gama observatória INTEGRAL sa im podarilo v röntgenových lúčoch odhaliť žiarenie z rádioaktívneho rozpadu titánu-44. Čo bol prvý priamy dôkaz o vzniku titánu v čase výbuchu tejto unikátnej supernovy.

Vedci sa tam však nezastavili. Dokázali odhadnúť hmotnosť zrodeného titánu - asi 100 hmotností Zeme. Čo bude ďalej? Teória predpovedá, že titán sa rozpadá na skandium, ktoré sa rozpadá na vápnik. Ak sa vedcom podarí zaznamenať celý tento reťazec, bude to rozhodujúci argument, že teória o vzniku ťažkých prvkov pri výbuchoch supernov je správna.

Chemická evolúcia alebo prebiotická evolúcia- etapa predchádzajúca vzniku života, počas ktorej organické, prebiotické látky vznikli z anorganických molekúl vplyvom vonkajších energetických a selekčných faktorov a v dôsledku nasadenia samoorganizačných procesov charakteristických pre všetky relatívne zložité systémy, ktorými sú nepochybne všetky molekuly obsahujúce uhlík.

Tieto pojmy označujú aj teóriu vzniku a vývoja tých molekúl, ktoré majú zásadný význam pre vznik a vývoj živej hmoty.

Všetko, čo je známe o chémii hmoty, nám umožňuje obmedziť problém chemickej evolúcie v rámci takzvaného „vodo-uhlíkového šovinizmu“, ktorý predpokladá, že život v našom vesmíre je prezentovaný v jedinej možnej verzii: ako „spôsob existencie proteínových teliesok“, realizovaný vďaka unikátnej kombinácii polymerizačných vlastností uhlíka a depolarizačných vlastností vodného prostredia v kvapalnej fáze, ako spoločne nevyhnutných a/alebo postačujúcich(?) podmienok pre vznik a rozvoj všetkých foriem života, ktorý je nám známy. To znamená, že aspoň v rámci jednej vytvorenej biosféry môže existovať iba jeden dedičný kód spoločný pre všetky živé bytosti danej bioty, ale zostáva otvorená otázka, či mimo Zeme existujú aj iné biosféry a či sú možné iné varianty genetického aparátu. .

Nie je tiež známe, kedy a kde sa začala chemická evolúcia. Akékoľvek načasovanie je možné po skončení druhého cyklu tvorby hviezd, ku ktorému došlo po kondenzácii produktov výbuchov primárnych supernov, dodávajúcich ťažké prvky (s atómovou hmotnosťou viac ako 26) do medzihviezdneho priestoru. Druhá generácia hviezd, už s planetárnymi systémami obohatenými o ťažké prvky, ktoré sú nevyhnutné pre realizáciu chemickej evolúcie, sa objavila 0,5-1,2 miliardy rokov po Veľkom tresku. Ak sú splnené určité, dosť pravdepodobné podmienky, takmer každé prostredie môže byť vhodné na spustenie chemickej evolúcie: hlbiny oceánov, vnútro planét, ich povrchy, protoplanetárne formácie a dokonca aj oblaky medzihviezdneho plynu, čo potvrdzuje rozšírená detekcia v vesmír astrofyzickými metódami mnohých druhov organických látok - aldehydov, alkoholov, cukrov a dokonca aj aminokyseliny glycínu, ktoré spolu môžu slúžiť ako východiskový materiál pre chemickú evolúciu, ktorej konečným výsledkom je vznik života.

Proces tvorby chemických prvkov vo vesmíre je neoddeliteľne spojený s vývojom vesmíru. S procesmi vyskytujúcimi sa v blízkosti „Veľkého tresku“ sme sa už zoznámili, poznáme niektoré detaily procesov, ktoré prebiehali v „primárnej polievke“ elementárnych častíc. Prvé atómy chemických prvkov, ktoré sa nachádzajú na začiatku tabuľky D.I. Mendelejeva (vodík, deutérium, hélium), sa začali tvoriť vo vesmíre ešte pred vznikom hviezd prvej generácie. Práve vo hviezdach, ich hĺbkach, ktoré sa opäť zahriali (po Veľkom tresku začala teplota vesmíru rýchlo klesať) na miliardy stupňov, vznikli jadrá chemických prvkov po héliu. Vzhľadom na dôležitosť hviezd ako zdrojov a generátorov chemických prvkov uvažujme o niektorých štádiách hviezdneho vývoja. Bez pochopenia mechanizmov vzniku hviezd a vývoja hviezd si nemožno predstaviť proces vzniku ťažkých prvkov, bez ktorých by v konečnom dôsledku život nevznikol. Bez hviezd by vodíkovo-héliová plazma existovala navždy vo vesmíre, v ktorom je organizácia života zjavne nemožná (na modernej úrovni chápania tohto javu).

Predtým sme zaznamenali tri pozorovacie fakty alebo testy modernej kozmológie, siahajúce na stovky parsekov, teraz poukážeme na štvrtý - prevalenciu ľahkých chemických prvkov vo vesmíre. Je potrebné zdôrazniť, že vznik svetelných prvkov v prvých troch minútach a ich rozšírenosť v modernom vesmíre prvýkrát vypočítalo v roku 1946 medzinárodné trio vynikajúcich vedcov: Američan Alpher, Nemec Hans Bethe a Rus Georgij Gamow. Odvtedy atómoví a jadroví fyzici opakovane vypočítali vznik svetelných prvkov v ranom vesmíre a ich dnešné množstvo. Dá sa tvrdiť, že štandardný model nukleosyntézy je dobre podporený pozorovaniami.

Evolúcia hviezd. Mechanizmus vzniku a vývoja hlavných objektov vesmíru - hviezd, bol študovaný najviac xoponio. Tu vedcom pomohla možnosť pozorovať obrovské množstvo hviezd v rôznych štádiách vývoja - od narodenia po smrť - vrátane mnohých takzvaných „hviezdnych asociácií“ - skupín hviezd narodených takmer súčasne. Pomohla aj porovnávacia „jednoduchosť“ štruktúry hviezdy, ktorá sa celkom úspešne hodí na teoretický popis a počítačové modelovanie.

Hviezdy vznikajú z oblakov plynu, ktoré sa za určitých okolností rozpadnú na samostatné „zhluky“, ktoré sú ďalej stláčané vlastnou gravitáciou. Stláčaniu plynu vplyvom vlastnej gravitácie bráni zvyšujúci sa tlak. Pri adiabatickej kompresii sa musí zvýšiť aj teplota – gravitačná väzbová energia sa uvoľňuje vo forme tepla. Kým je oblak redší, všetko teplo ľahko odchádza so sálaním, ale v hustom jadre kondenzácie je odvod tepla obtiažny a rýchlo sa zohreje. Zodpovedajúce zvýšenie tlaku spomaľuje stláčanie jadra a naďalej k nemu dochádza len vďaka tomu, že plyn naďalej klesá na rodiacu sa hviezdu. S pribúdajúcou hmotou sa zvyšuje tlak a teplota v strede, až nakoniec tá dosiahne hodnotu 10 miliónov Kelvinov. V tomto momente sa v strede hviezdy začínajú jadrové reakcie premieňajúce vodík na hélium, ktoré udržiavajú stacionárny stav novovzniknutej hviezdy milióny, miliardy alebo desiatky miliárd rokov v závislosti od hmotnosti hviezdy.

Hviezda sa mení na obrovský termonukleárny reaktor, v ktorom vo všeobecnosti stabilne a stabilne prebieha rovnaká reakcia, akú sa človek doteraz naučil vykonávať len v neriadenej verzii – vo vodíkovej bombe. Teplo uvoľnené počas reakcie hviezdu stabilizuje, udržuje vnútorný tlak a zabraňuje jej ďalšiemu stláčaniu. Malý náhodný nárast reakcie hviezdu mierne „nafúkne“ a zodpovedajúci pokles hustoty opäť vedie k oslabeniu reakcie a stabilizácii procesu. Hviezda „horí“ takmer konštantným jasom.

Teplota a sila žiarenia hviezdy závisí od jej hmotnosti a závisí nelineárne. Zhruba povedané, keď sa hmotnosť hviezdy zvýši 10-krát, jej radiačná sila sa zvýši 100-krát. Preto masívnejšie, teplejšie hviezdy spotrebúvajú zásoby paliva oveľa rýchlejšie ako tie menej hmotné a majú relatívne krátky život. Spodná hranica hmotnosti hviezdy, pri ktorej je ešte možné dosiahnuť v strede teploty dostatočné na nástup termonukleárnych reakcií, je približne 0,06 Slnka. Horná hranica je asi 70 hmotností Slnka. V súlade s tým najslabšie hviezdy svietia niekoľko stokrát slabšie ako Slnko a môžu takto svietiť stovky miliárd rokov, oveľa dlhšie ako existencia nášho vesmíru. Masívne horúce hviezdy môžu byť miliónkrát jasnejšie ako Slnko a žijú len niekoľko miliónov rokov. Doba stabilnej existencie Slnka je približne 10 miliárd rokov a z tohto obdobia žije doteraz polovicu.

Stabilita hviezdy je narušená, keď značná časť vodíka v jej jadre vyhorí. Vznikne héliové jadro zbavené vodíka a spaľovanie vodíka pokračuje v tenkej vrstve na jeho povrchu. V tomto prípade sa jadro zmršťuje, v strede sa zvyšuje jeho tlak a teplota, zatiaľ čo horné vrstvy hviezdy, umiestnené nad vrstvou spaľovania vodíka, sa naopak rozťahujú. Priemer hviezdy sa zväčšuje a priemerná hustota klesá. V dôsledku zväčšenia plochy vyžarujúceho povrchu sa pomaly zvyšuje aj jeho celková svietivosť, hoci teplota povrchu hviezdy klesá. Hviezda sa mení na červeného obra. V určitom okamihu sú teplota a tlak vo vnútri héliového jadra dostatočné na to, aby začali nasledujúce reakcie syntézy ťažších prvkov - uhlíka a kyslíka z hélia a v ďalšom štádiu ešte ťažších prvkov. Vo vnútri hviezdy môže z vodíka a hélia vzniknúť veľa prvkov periodickej tabuľky, ale len po prvky skupiny železa, ktoré majú najväčšiu väzbovú energiu na časticu. Ťažšie prvky vznikajú pri iných vzácnejších procesoch, a to pri výbuchoch supernov a čiastočne nov, a preto sú v prírode vzácne.

Všimnime si zaujímavú, na prvý pohľad paradoxnú okolnosť. Zatiaľ čo vodík horí v blízkosti stredu hviezdy, teplota tam nemôže stúpnuť na prah héliovej reakcie. K tomu je potrebné, aby sa spaľovanie zastavilo a jadro hviezdy sa začalo ochladzovať! Chladiace jadro hviezdy sa sťahuje, čím sa zvyšuje sila gravitačného poľa a uvoľňuje sa gravitačná energia, ktorá ohrieva hmotu. Pri vyšších intenzitách poľa je potrebná vyššia teplota, aby tlak odolal kompresii a gravitačná energia je dostatočná na zabezpečenie tejto teploty. Podobný paradox máme aj pri spúšťaní kozmickej lode: aby sme ju preniesli na nižšiu obežnú dráhu, treba ju spomaliť, no zároveň sa ukáže, že je bližšie k Zemi, kde je sila gravitácie väčšia a jej rýchlosť sa zvýši. Chladenie zvyšuje teplotu a brzdenie zvyšuje rýchlosť! Príroda je plná takýchto zdanlivých paradoxov a človek nemôže vždy dôverovať „zdravému rozumu“.

Po začatí spaľovania hélia napreduje spotreba energie veľmi rýchlym tempom, pretože energetický výťažok všetkých reakcií s ťažkými prvkami je oveľa nižší ako pri reakcii spaľovania vodíka a navyše sa zvyšuje celková svietivosť hviezdy v týchto štádiách. výrazne. Ak vodík horí miliardy rokov, potom hélium horí milióny a všetky ostatné prvky nie viac ako tisíce rokov. Keď v útrobách hviezdy vyhasnú všetky jadrové reakcie, nič nemôže zabrániť jej gravitačnému stlačeniu a dôjde k tomu katastrofálne rýchlo (ako sa hovorí, zrúti sa). Horné vrstvy padajú smerom k stredu so zrýchlením voľného pádu (jeho veľkosť je o mnoho rádov väčšia ako zrýchlenie zemského pádu v dôsledku neporovnateľného rozdielu hmotnosti), pričom sa uvoľňuje obrovská gravitačná energia. Látka je stlačená. Časť, ktorá prechádza do nového stavu vysokej hustoty, tvorí pozostatok hviezdy a časť (zvyčajne veľká) je v podobe odrazenej rázovej vlny obrovskou rýchlosťou vymrštená do vesmíru. Dochádza k výbuchu supernovy. (Okrem gravitačnej energie sa na kinetickej energii rázovej vlny podieľa aj termonukleárne vyhorenie časti vodíka zostávajúceho vo vonkajších vrstvách hviezdy, keď sa padajúci plyn stlačí v blízkosti jadra hviezdy – výbuch grandiózneho dôjde k „vodíkovej bombe“).

V ktorej fáze vývoja hviezdy sa kompresia zastaví a aký bude zvyšok supernovy, všetky tieto možnosti závisia od jej hmotnosti. Ak je táto hmotnosť menšia ako 1,4 Slnka, bude to biely trpaslík, hviezda s hustotou 10 9 kg/m 3, pomaly chladnúca bez vnútorných zdrojov energie. Tlak degenerovaného elektrónového plynu ho chráni pred ďalším stláčaním. S väčšou hmotnosťou (asi do 2,5 slnečnej) vzniká neutrónová hviezda (ich existenciu predpovedal veľký sovietsky fyzik, nositeľ Nobelovej ceny Lev Landau) s hustotou približne rovnou hustote atómového jadra. Neutrónové hviezdy boli objavené ako takzvané pulzary. S ešte väčšou počiatočnou hmotnosťou hviezdy vzniká čierna diera – nekontrolovateľne sa sťahujúci objekt, ktorému nemôže uniknúť žiadny objekt, dokonca ani svetlo. Práve pri výbuchoch supernov vznikajú prvky ťažšie ako železo, ktoré si vyžadujú extrémne husté prúdy vysokoenergetických častíc, aby boli zrážky viacerých častíc dostatočne pravdepodobné. Všetko hmotné na tomto svete je potomkami supernov, vrátane ľudí, keďže atómy, z ktorých sa skladáme, kedysi vznikli pri výbuchoch supernov.

Hviezdy sú teda nielen silným zdrojom kvalitnej energie, ktorej rozptyl prispieva k vzniku zložitých štruktúr vrátane života, ale aj reaktory, v ktorých sa vyrába celá periodická tabuľka - potrebný materiál pre tieto štruktúry. Výbuch hviezdy, ktorá končí svoj život, vyvrhne do vesmíru obrovské množstvo prvkov ťažších ako vodík a hélium, ktoré sa zmiešajú s galaktickým plynom. Počas života vesmíru mnoho hviezd ukončilo svoj život. Všetky hviezdy ako Slnko a hmotnejšie hviezdy, ktoré vznikli z prvotného plynu, už prešli svojou životnou dráhou. Takže teraz sú Slnko a podobné hviezdy hviezdami druhej generácie (a možno aj tretej), výrazne obohatené o ťažké prvky. Bez takéhoto obohatenia je nepravdepodobné, že by v ich blízkosti mohli vzniknúť terestrické planéty a život.

Tu sú informácie o prevalencii niektorých chemických prvkov vo vesmíre:

Ako vidíme z tejto tabuľky, prevládajúcimi chemickými prvkami v súčasnosti sú vodík a hélium (po 75 % a 25 %). Relatívne malý obsah ťažkých prvkov sa však ukázal ako dostatočný na vznik života (aspoň na jednom z ostrovov vesmíru v blízkosti „obyčajnej“ hviezdy, Slnka – žltého trpaslíka). Okrem toho, čo sme už naznačili skôr, musíme mať na pamäti, že v otvorenom vesmíre je kozmické žiarenie, ktoré sú v podstate prúdy elementárnych častíc, predovšetkým elektrónov a protónov rôznych energií. V niektorých oblastiach medzihviezdneho priestoru sú lokálne oblasti so zvýšenou koncentráciou medzihviezdnej hmoty, nazývané medzihviezdne oblaky. Na rozdiel od plazmového zloženia hviezdy, hmota medzihviezdnych oblakov už obsahuje (čo dokazujú početné astronomické pozorovania) molekuly a molekulárne ióny. Napríklad boli objavené medzihviezdne oblaky molekulárneho vodíka H2, v absorpčnom spektre sú často prítomné zlúčeniny ako hydroxylový ión OH, molekuly CO, molekuly vody atď. Teraz je počet chemických zlúčenín objavených v medzihviezdnych oblakoch viac ako sto . Vplyvom vonkajšieho žiarenia aj bez neho dochádza v oblakoch k rôznym chemickým reakciám, často k takým, ktoré nie je možné na Zemi uskutočniť kvôli špeciálnym podmienkam v medzihviezdnom prostredí. Pravdepodobne asi pred 5 miliardami rokov, keď sa formovala naša slnečná sústava, boli primárnym materiálom pri formovaní planét rovnaké jednoduché molekuly, aké teraz pozorujeme v iných medzihviezdnych oblakoch. Inými slovami, proces chemickej evolúcie, ktorý sa začal v medzihviezdnom oblaku, potom pokračoval na planétach. Hoci v niektorých medzihviezdnych oblakoch boli teraz objavené pomerne zložité organické molekuly, chemická evolúcia pravdepodobne viedla k tomu, že sa „živá“ hmota (to znamená bunky s mechanizmami samoorganizácie a dedičnosti) objavila iba na planétach. Je veľmi ťažké predstaviť si organizáciu života v objeme medzihviezdnych oblakov.

Planetárna chemická evolúcia.

Uvažujme o procese chemickej evolúcie na Zemi. Primárna atmosféra Zeme obsahovala najmä najjednoduchšie zlúčeniny vodíka H 2, H 2 O, NH 3, CH 4. Atmosféra bola navyše bohatá na inertné plyny, predovšetkým hélium a neón. V súčasnosti je množstvo vzácnych plynov na Zemi zanedbateľné, čo znamená, že kedysi boli v medziplanetárnom priestore nesúladné. Naša moderná atmosféra je druhoradého pôvodu. Chemické zloženie atmosféry sa spočiatku len málo líšilo od pôvodného. Po vytvorení hydrosféry amoniak NH 3 rozpustený vo vode prakticky z atmosféry zmizol, atómový a molekulárny vodík sa odparil do medziplanetárneho priestoru, atmosféra bola nasýtená prevažne dusíkom N. K nasýteniu atmosféry kyslíkom dochádzalo postupne, najskôr v dôsledku k disociácii molekúl vody ultrafialovým žiarením zo Slnka a potom hlavne cestou, vďaka rastlinnej fotosyntéze.

Je možné, že určité množstvo organickej hmoty prinieslo na Zem pád meteoritov a možno aj komét. Napríklad kométy obsahujú zlúčeniny ako N, NH 3, CH 4 atď. Je známe, že vek zemskej kôry je približne 4,5 miliardy rokov. Existujú aj geologické a geochemické dôkazy, ktoré naznačujú, že už pred 3,5 miliardami rokov bola zemská atmosféra bohatá na kyslík. Primárna atmosféra Zeme teda existovala nie viac ako 1 miliardu rokov a život pravdepodobne vznikol ešte skôr.

V súčasnosti sa nahromadil významný experimentálny materiál, ktorý ilustruje, ako sa také jednoduché látky ako voda, metán, amoniak, oxid uhoľnatý, amónne a fosfátové zlúčeniny premieňajú na vysoko organizované štruktúry, ktoré sú stavebnými kameňmi bunky. Americkí vedci Kelvin, Miller a Urey vykonali sériu experimentov, ktoré ukázali, ako mohli aminokyseliny vzniknúť v prvotnej atmosfére. Vedci vytvorili zmes plynov – metánu CH 4, molekulárneho vodíka H 2, amoniaku NH 3 a vodnej pary H 2 O, simulujúcu zloženie primárnej atmosféry Zeme. Touto zmesou prechádzali elektrické výboje, v dôsledku čoho sa v počiatočnej zmesi plynov objavili glycín, alanín a ďalšie aminokyseliny. Pravdepodobne Slnko výrazne ovplyvnilo chemické reakcie v primárnej atmosfére Zeme svojím ultrafialovým žiarením, ktoré sa v atmosfére nezdržiavalo kvôli absencii ozónu.

Nielen elektrické výboje a ultrafialové žiarenie zo Slnka, ale aj sopečné teplo, rázové vlny a rádioaktívny rozpad draslíka K (podiel energie rozpadu draslíka asi pred 3 miliardami rokov na Zemi bol na druhom mieste po energii ultrafialového žiarenia z r. Slnko) malo dôležitý vplyv na chemický vývoj. Napríklad plyny uvoľňované z primárnych sopiek (O 2, CO, N 2, H 2 O, H 2, S, H 2 S, CH 4, SO 2), keď sú vystavené rôznym druhom energie, reagujú za vzniku rôznych malých organických zlúčenín typu: kyanovodík HCN, kyselina mravčia HCO 2 H, kyselina octová H 3 CO 2 H, glycín H 2 NCH 2 CO 2 H atď. Následne opäť vplyvom rôznych druhov energie malé organické zlúčeniny reagujú za vzniku zložitejších organických zlúčenín: aminokyselín

Na Zemi teda existovali podmienky na tvorbu zložitých organických zlúčenín potrebných na vytvorenie bunky.

V súčasnosti stále neexistuje jediný logicky konzistentný obraz o tom, ako život vznikol z prvotnej „superkvapky hmoty“ nazývanej vesmír po Veľkom tresku. Vedci si však už predstavujú mnohé prvky tohto obrázku a veria, že tak sa všetko naozaj stalo. Jedným prvkom tohto jednotného obrazu evolúcie je chemická evolúcia. Chemická evolúcia je možno jedným z odôvodnených prvkov jednotného obrazu evolúcie, už len preto, že umožňuje experimentálne modelovanie chemických procesov (ktoré sa napríklad nedá robiť v podmienkach podobných tým, ktoré sú blízko „veľkého tresku“). . Chemický vývoj možno vysledovať až k základným stavebným kameňom živej hmoty: aminokyselinám, nukleovým kyselinám.