7. Космическая таблица

Чтобы ответить на самые тривиальные вопросы, зачастую требуются глубокие и обширные знания о космосе. На уроке химии в школе я спросил учителя, откуда взялись элементы из таблицы Менделеева. Он ответил, что из земной коры. Спасибо. Не сомневаюсь, что образцы для школьной лаборатории были взяты именно оттуда. А откуда они появились в земной коре?

Ответ нужно искать в области астрономии. Но так ли уж необходимо знать, откуда взялась и как развивалась Вселенная, чтобы ответить на этот вопрос?

Да, необходимо.

Во время Большого взрыва выработались лишь три элемента из всех встречающихся в природе.

А все остальные выплавлены в высокотемпературных недрах звезд и во время взрывов умирающих звезд, благодаря чему последующие поколения звездных систем смогли воспользоваться этими богатствами и сформировать планеты, а в нашем случае еще и людей.

Для многих периодическая таблица Менделеева – это какая-то полузабытая диковина, огромный плакат, расчерченный на квадраты с какими-то загадочными буквами, который они последний раз видели на стене кабинета химии в школе. А между тем, эта таблица должна служить культурной иконой, свидетельством успехов науки как общечеловеческого начинания, достигнутых и в лабораториях, и на ускорителях частиц, и на границах неизведанного во Вселенной – ведь она представляет собой организационный принцип химического поведения всех элементов во Вселенной, и уже известных, и еще не открытых.

И все же то и дело даже ученые нет-нет да и сочтут таблицу Менделеева этаким зоопарком невиданных зверей из детской книжки. А иначе разве можно поверить, что натрий – ядовитый реактивный металл, который можно резать столовым ножом, а чистый хлор – вонючий смертоносный газ, но если их совместить, получится хлорид натрия – безвредное и даже необходимое для жизнедеятельности соединение, известное как поваренная соль? А водород с кислородом? Один – взрывоопасный газ, другой запускает процессы окисления, а вместе они составляют жидкую воду, которой тушат огонь.

Среди всех этих химических головоломок мы обнаруживаем и элементы, играющие важную роль в жизни всей Вселенной, а потому позвольте представить таблицу Менделеева глазами астрофизика.

Ядро водорода состоит всего из одного протона, вот почему это самый простой и легкий элемент, возникший целиком и полностью во время Большого взрыва. В природе встречаются 94 элемента, однако именно водород составляет более двух третей всех атомов в человеческом организме и более 90 % всех атомов в космосе на любых масштабах вплоть до Солнечной системы. В ядре массивной планеты Юпитер водород находится под таким давлением, что ведет себя не как газ, а как металл, проводящий электричество, и создает магнитное поле – самое сильное среди всех планет. Водород открыл английский химик Генри Кавендиш в 1766 году, когда проводил эксперименты с H₂O (водород недаром получил такое название). Однако астрофизики знают Кавендиша как первого ученого, который рассчитал массу Земли, после того как измерил точное значение гравитационной постоянной в знаменитом ньютоновом законе всемирного тяготения.

И днем, и ночью, каждую секунду 4,5 миллиарда тонн стремительно движущихся ядер водорода превращаются в энергию, когда сталкиваются и превращаются в гелий в ядре Солнца, температура которого составляет 15 миллионов градусов.

Гелий широко известен как газ с низкой плотностью, который довольно легко раздобыть, а если вдохнуть, он временно повышает частоту вибраций голосовых связок, так что начинаешь пищать, как Микки-Маус. Гелий занимает второе место среди элементов и по простоте, и по распространенности во Вселенной. Хотя по распространенности он очень отстает от водорода, все же его в четыре раза больше, чем всех остальных элементов во Вселенной вместе взятых. Один из столпов космологии Большого взрыва – предсказание, что в любой области космоса гелий составляет не менее 10 % всех атомов, и именно в таком количестве он возник в огненном шаре первичной Вселенной. Поскольку гелий также получается из водорода в ходе термоядерного синтеза в недрах звезд, в некоторых областях космоса, вероятно, гелия накопилось больше 10 %, однако, по расчетам, его не может быть меньше – нигде, ни в одной области Галактики.

Лет за тридцать до того, как гелий открыли и выделили на Земле, астрономы заметили его в спектре солнечной короны во время полного солнечного затмения в 1868 году. Как мы уже отмечали, название «гелий», что логично, образовано от имени Гелиоса – древнегреческого бога Солнца. А поскольку плавучесть гелия в воздухе составляет 92 % от плавучести водорода и при этом он, в отличие от водорода, не взрывоопасен, гелий служит идеальным наполнителем для огромных фигурных воздушных шаров для парада в День Благодарения, который устраивает сеть универмагов «Мэйси», – отчего «Мэйси» и стала самым крупным потребителем этого газа в США, уступая только армии.

Третий по простоте элемент во Вселенной – литий: у него в ядре всего три протона. Литий, как и водород и гелий, возник во время Большого взрыва, однако, в отличие от гелия, который вырабатывается в недрах звезд, литий разрушается в ходе всех известных ядерных реакций. Еще один прогноз космологии Большого взрыва состоит в том, что атомы лития составляют не более одного процента всех атомов в любой области Вселенной. Еще не удалось найти ни одной галактики, где лития было бы больше этого верхнего предела, заданного Большим взрывом. Сочетание верхнего предела лития и нижнего предела гелия дает мощную пару констант для проверок различных гипотез в рамках космологии Большого взрыва.

Элемент углерод входит в огромное количество разных молекул – соединений с его участием во Вселенной больше, чем всех остальных разновидностей молекул вместе взятых. Учитывая распространенность углерода в космосе – он вырабатывается в ядрах звезд, вытекает на их поверхности и в изобилии извергается в галактическое пространство – нет лучше элемента, чтобы строить биохимию и разнообразие жизни. Следом за ним по распространенности с небольшим отрывом идет кислород – его тоже много во Вселенной, и он тоже вырабатывается в звездах и высвобождается, когда они взрываются. Углерод и кислород – главные ингредиенты известной нам живой материи.

А как же не известная нам живая материя? Что можно сказать о жизни, основанной на элементе кремнии? В таблице Менделеева кремний располагается прямо под углеродом, то есть, в принципе, способен создавать такое же богатое портфолио молекул. Правда, в конце концов, по нашим расчетам, победит все-таки углерод, поскольку во Вселенной его в десять раз больше, чем кремния. Но это не останавливает писателей-фантастов, которые держат экзобиологов в постоянном напряжении, придумывая различных кремний-органических инопланетян.

Натрий не только входит в состав поваренной соли, но и представляет собой на сегодня самый распространенный светящийся газ в уличных фонарях. Натриевые лампы горят дольше и ярче ламп накаливания, хотя, вероятно, скоро их вытеснят светодиодные, которые при той же мощности горят ярче и обходятся дешевле. Натриевые лампы бывают двух разновидностей: лампы высокого давления, дающие желтовато-белый свет, и более редкие лампы низкого давления – оранжевые. Световое загрязнение неба в любом случае вредно для астрофизики, однако, оказывается, натриевые лампы низкого давления немного лучше, поскольку свет, которым они загрязняют небо, легче вычесть из изображений, получаемых телескопами. Пример сотрудничества гражданского общества и ученых подал город Таксон в штате Аризона – ближайший к Национальной обсерватории Китт-Пик крупный населенный пункт: его муниципалитет по договоренности с местными астрофизиками заменил во всех уличных фонарях лампы накаливания на натриевые низкого давления.

Алюминий составляет почти 10 % земной коры, однако древние люди его не знали, а нашим прапрадедам он был в диковинку. Этот элемент удалось выделить и описать лишь в 1827 году, а в обиход он вошел лишь в конце 60-х годов ХХ века, когда на смену жестяным консервным банкам и оловянной фольге пришли алюминиевые консервные банки и, конечно, алюминиевая фольга (хотя консервные банки мы иногда по старинке зовем жестянками). Полированный алюминий – практически идеальный отражатель видимого света, поэтому сегодня именно им покрывают большинство зеркал для телескопов.

Титан плотнее алюминия в 1,7 раза и при этом более чем вдвое прочнее. Поэтому титан, девятый по распространенности элемент в земной коре, в наши дни греется в лучах заслуженной славы: ему нашли множество применений, в том числе в протезах и в деталях военных самолетов, словом, везде, где нужен легкий, но очень прочный металл.

Почти везде в космосе атомы кислорода превосходят числом атомы углерода. После того как все атомы углерода расхватали доступные атомы кислорода (сформировав таким образом либо углекислый, либо угарный газ), оставшийся кислород соединяется с другими элементами, например, с титаном. Спектры красных звезд полны сигнатур оксида титана, который, впрочем, встречается и в земных звездах, поскольку звездчатые сапфиры и рубины обязаны своими сверкающими узорами именно вкраплениям оксида титана в кристаллическую решетку.

Более того, белая краска, которой покрывают купола телескопов, тоже содержит оксид титана, который ко всему прочему прекрасно отражает инфракрасную часть спектра, поэтому воздух вокруг телескопа гораздо меньше нагревается от солнечного света. Ночью, когда купол открыт, температура воздуха в куполе вокруг телескопа быстро выравнивается с температурой ночного воздуха, поэтому свет от звезд и других космических объектов виден четко и незамутненно. Свое название титан получил не в честь какого-то космического объекта, а непосредственно в честь титанов из древнегреческой мифологии, хотя Титаном также называют самый большой спутник Сатурна.

Железо по нескольким параметрам считается важнейшим элементом во Вселенной. Массивные звезды вырабатывают элементы в своем ядре в следующем порядке: сначала гелий, потом углерод, кислород, азот и так далее по таблице Менделеева. В ядре железа 26 протонов и по меньшей мере столько же нейтронов, и у него есть одно особенное свойство: среди всех атомных ядер у него меньше всего энергии приходится на одну частицу. Из этого следует простой вывод: если расщеплять атомы железа, они будут поглощать энергию. И если создавать атомы железа в процессе термоядерного синтеза, они тоже будут поглощать энергию. Когда массивные звезды вырабатывают и накапливают железо в своих недрах, они рискуют жизнью. Без мощного источника энергии звезда схлопывается под собственным весом, происходит страшный взрыв – и получается сверхновая, которая неделю напролет сияет ярче миллиарда звезд.

Мягкий металл галлий плавится при такой низкой температуре, что потечет у вас на ладони, как масло какао. В остальном, помимо этого салонного фокуса, галлий для астрофизиков ничем не интересен, кроме того, что он входит в состав хлорида галлия, который применяется в экспериментах по обнаружению неуловимых солнечных нейтрино. Огромный, на сто тонн, подземный бак с жидким хлоридом галлия находится под постоянным наблюдением: ученые ждут, когда нейтрино столкнутся с ядрами галлия и превратят их в германий. От этого столкновения испускается рентгеновское излучение, и его-то и регистрируют приборы каждый раз, когда нейтрино попадает в ядро. При помощи подобных «телескопов» сперва обнаружили, что на Землю прилетает меньше нейтрино, чем предсказывает теория солнечного нуклеосинтеза, и этот парадокс несколько десятилетий оставался нерешенным, пока другие эксперименты не показали, что нейтрино просто умеют на лету менять свой тип, превращаясь в невидимок для галлиевых детекторов.

Элемент технеций радиоактивен во всех формах. Неудивительно, что на Земле он встречается только в ускорителях частиц, где его изготавливают по требованию. За это технеций и получил свое название – от древнегреческого «технетос», «искусственный». По не вполне понятным причинам технеций обитает в атмосферах одного особого подвида красных звезд. Само по себе это не страшно, однако период полураспада у технеция составляет всего два миллиона лет, а это гораздо меньше возраста и ожидаемой продолжительности жизни тех звезд, в которых его обнаруживают. То есть технеций присутствует в составе звезды не от рождения – иначе к нашему времени его бы там уже не осталось. А кроме того, не известно ни одного механизма, который позволял бы технецию вырабатываться в недрах звезды, а затем просачиваться на поверхность, где мы его наблюдаем, и это привело к рождению всевозможных экзотических теорий, которым еще предстоит добиться консенсуса в астрофизическом сообществе.

Иридий наряду с осмием и платиной – один из трех самых тяжелых (читай – плотных) элементов в таблице Менделеева: два кубических фута иридия, то есть примерно 57 литров, весят как «Бьюик», так что из иридия получаются лучшие в мире пресс-папье, которым нипочем любые офисные вентиляторы. Кроме того, иридий – самый известный на свете «дымящийся пистолет»: тонкий слой иридия залегает на знаменитой мел-палеогеновой границе геологических пластов, возникшей 65 миллионов лет назад (старожилы называют ее мел-третичной). Отнюдь не случайно именно тогда вымерли все сухопутные животные размером больше саквояжа, в том числе наши любимые динозавры. На поверхности Земли иридий встречается редко, однако довольно распространен в десятикилометровых металлических астероидах, которые, врезавшись в Землю, при ударе испарялись и распыляли свои атомы. Так что, какой бы ни была ваша любимая теория вымирания динозавров, первым пунктом в списке вероятных кандидатов все равно будет астероид-убийца размером с Эверест.

Не знаю, как отнесся к этому сам старина Альберт, но после первых испытаний водородной бомбы на атолле Эниветок 1 ноября 1952 года в радиоактивном мусоре обнаружили новый элемент, которому дали имя «эйнштейний». Лично я назвал бы его «армагеддоний».

Между тем десять элементов в таблице Менделеева были названы в честь небесных тел, вращающихся вокруг Солнца.

Фосфор – слово древнегреческого происхождения и означает «светоносный»: так в древности называли планету Венеру, когда она появлялась на предзакатном небе.

Селен получил название от слова «Селена» – так древние греки именовали Луну – и всегда ассоциировался с элементом теллурием, который назван в честь Земли от латинского «теллус».

1 января 1801 года итальянский астроном Джузеппе Пиацци открыл новую планету, которая вращается по орбите вокруг Солнца в подозрительно широком промежутке между Марсом и Юпитером. В соответствии в традицией называть планеты в честь римских богов новое небесное тело назвали Церерой в честь богини урожая. Научное сообщество пришло в такое волнение, что первый элемент, открытый после этой даты, назвали церием. Прошло два года – и была обнаружена еще одна планета, вращающаяся вокруг Солнца в том же промежутке, что и Церера. Ее назвали Палладой – в честь римской богини мудрости, – а затем, как и в случае с Церерой, дали соответствующее имя первому элементу, открытому после этого. Он называется палладий. Несколько десятилетий спустя этому фестивалю названий пришел конец. Были открыты десятки подобных планет в той же орбитальной зоне, и тщательный анализ показал, что они во много раз меньше самых маленьких известных планет. В Солнечной системе нашли новый, так сказать, участок застройки, населенный мелкими обломками камня и металла неправильной формы. Оказалось, что Церера и Паллада – не планеты, а астероиды, и обитают они в поясе астероидов, в котором, как мы теперь знаем, находятся десятки тысяч объектов – а это немного больше, чем элементов в таблице Менделеева.

Металл ртуть, который при комнатной температуре пребывает в жидком и быстротекучем состоянии, на многих языках называется в честь планеты Меркурий, самой быстрой из планет Солнечной системы, а та получила имя в честь быстроногого римского бога-вестника.

Торий называется в честь Тора – могучего скандинавского бога-громовержца. В римском пантеоне ему соответствует могучий бог-громовержец Юпитер. И космический телескоп имени Хаббла и в самом деле – слава Юпитеру! – увидел в полярных областях этой планеты, в толще грозовых туч, мощные электрические разряды.

Моя любимая планета – Сатурн (после Земли, конечно, но Сатурн следующий), однако в честь нее, увы, не называли химических элементов, зато у Урана, Нептуна и Плутона в таблице Менделеева есть знаменитые крестники. Элемент уран был открыт в 1789 году и назван в честь планеты, обнаруженной Уильямом Гершелем всего за восемь лет до этого. Все изотопы урана нестабильны, они спонтанно распадаются на более легкие элементы, и этот процесс сопровождается высвобождением энергии. Первая в истории атомная бомба, использованная в военных целях, была создана на основе урана. Соединенные Штаты Америки сбросили ее на Хиросиму 6 августа 1945 года и практически стерли этот японский город с лица Земли. В ядре урана – 92 протона, поэтому его принято считать «самым крупным» элементом, встречающимся в природе, хотя в урановых шахтах находят следы еще более крупных элементов.

Если Уран заслуживает, чтобы в его честь назвали элемент, то и Нептун ничем не хуже. Однако, в отличие от урана, который был открыт вскоре после планеты, нептуний обнаружили лишь в сороковые годы прошлого века на циклотроне в Беркли – то есть спустя целых 97 лет после того, как немецкий астроном Иоганн Галле узнал Нептун в пятнышке на небосклоне, появление которого в этом месте и в это время предсказал французский математик Жозеф де Верье, изучавший странное поведение Урана на орбите. Нептун в Солнечной системе находится сразу после Урана – так и нептуний в таблице Менделеева стоит сразу за ураном.

На циклотроне в Беркли открыли (или получили?) многие элементы, не встречающиеся в природе, в том числе плутоний, который стоит в таблице следующим после нептуния и назван в честь Плутона, а открыл его Клайд Томбо в Аризонской обсерватории Лауэлла в 1930 году. Это открытие вызвало не меньшую сенсацию, чем обнаружение Цереры 129 годами раньше. Плутон был первой планетой, которую открыл американец, и в отсутствие более качественных данных считали, что эта планета сопоставима по размерам и массе с Землей, а может быть, и с Ураном и Нептуном. Предпринимались все новые попытки точнее измерить параметры Плутона, и получалось, что он все меньше и меньше. Представления о габаритах этой планеты стабилизировались лишь к концу 80-х годов ХХ века. Теперь мы знаем, что холодный ледяной Плутон – с большим отрывом самый маленький из девяти планет, он даже меньше, чем шесть самых крупных лун в Солнечной системе. Вышло как с астероидами: впоследствии на внешнем крае Солнечной системы были обнаружены сотни небесных тел с орбитами, похожими на орбиту Плутона, что положило конец его карьере планеты. Более того, ученые открыли ранее не известную область, заполненную мелкими ледяными объектами, – так называемый пояс комет Койпера, к которому принадлежит и Плутон. С этой точки зрения можно утверждать, что Церера, Паллада и Плутон пролезли в таблицу Менделеева по подложным документам.

Нестабильный обогащенный плутоний также использовался в военных целях и был активным ингредиентом атомной бомбы, которую Соединенные Штаты сбросили на Нагасаки всего через три дня после Хиросимы, что и положило конец Второй мировой войне. Небольшие количества необогащенного радиоактивного плутония применяют как топливо в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (сокращенно РИТЭГ, а как же еще) на космических зондах, которые отправляют на внешние края Солнечной системы, где интенсивность солнечного света настолько низка, что использовать солнечные батареи уже нельзя. Полкило плутония хватает, чтобы сгенерировать десять миллионов киловатт-часов тепловой энергии, а этого достаточно, чтобы обычная электрическая лампочка горела одиннадцать тысяч лет – или для пропитания одного человека в течение такого же времени, если бы мы питались ядерным топливом, а не продуктами из супермаркета.

Наше космическое путешествие по периодической таблице Менделеева подходит к концу – мы побывали и на границах Солнечной системы, и даже дальше. По причинам, которых я пока не понимаю, многие люди недолюбливают химикаты, что отчасти объясняет упорство борцов против «химии» в пище. Может, дело в том, что головоломные названия химических соединений очень уж страшны на вид. Однако в этом виноваты химики, а не химия и не химикаты. Лично я люблю химикаты – во всей Вселенной. Ведь из них состоят и мои любимые звезды, и мои лучшие друзья.