[Перевод] Вселенная и тяжёлый металл

Нам приписывают рождение чего-то вроде тяжёлого металла. Если это так, то нам срочно надо сделать аборт.
— Джинджер Бэйкер, основатель британской рок-группы Cream

Посмотрите вокруг себя. Внимательно оглядитесь вокруг. На всё, что вас окружает – камни, деревья, горы, небо, облака, Солнце, воду, всё живое.

Из чего всё это состоит?

На фундаментальном уровне всё, известное вам, всё, находящееся на Земле, состоит из атомов. Водород, углерод, азот, кальций, железо, золото, и т.п. Все элементы Вселенной комбинируются множеством различных способов для получения всего, что мы можем наблюдать во Вселенной. А если мы заглянем в суть предметов, мы увидим то самое, что придаёт каждому атому его особенные свойства.

И, как ни удивительно, это будет просто количество протонов в ядре атома. И всё многообразие существующих в нашем мире вещей может существовать только потому, что в мире существует изобилие различных элементов, от водорода до урана и дальше.

Но все эти элементы не всегда существовали. И, конечно же, их не всегда было так много, как сегодня. К примеру, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная охладилась достаточно, чтобы в ней произошли все ядерные реакции, которые могли произойти при существовавших условиях. И мы можем сказать, какие элементы находились в тот момент во Вселенной.

Как это ни странно, но Вселенная (по массе) состоит на 76% из водорода, на 24% из гелия, и не более чем на 0,0000001% из всех остальных элементов, вместе взятых. Вселенная без проблем остывала и порождала нейтральные атомы, но поскольку в ней появились только водород с гелием и пренебрежимо малое количество иных атомов, остаётся только удивляться, глядя на то, что у нас есть сегодня.

Откуда же всё это взялось? Все имеющиеся сегодня элементы появились, и появляются до сих пор одним способом: в звёздах.

Наше Солнце, как и большинство звёзд, в ходе ядерного синтеза превращает водород в гелий, и именно это питает наше светило. Но самые тяжёлые, массивные звёзды жгут своё топливо гораздо быстрее. А когда они сжигают весь водород, то получившийся гелий они превращают в углерод, а потом в азот, кислород, неон и натрий, а потом в кремний и серу, а потом в железо, никель, кобальт и медь.

До этого этапа доходят звёзды, масса которых превышает солнечную минимум в восемь, а то и в сотни раз. Нашему Солнцу потребуется порядка десяти миллиардов лет для того, чтобы сжечь всё его топливо. А более массивные звёзды горят от десятков миллионов до всего лишь десятков тысяч лет до тех пор, пока у них в ядре не кончится топливо! И следующий этап получается весьма зрелищным.

Звезда превращается в сверхновую, и испускаемой ею энергии хватает на создание всех элементов Вселенной, причём в огромном количестве.

На видео показано, как эти элементы разлетаются и попадают во Вселенную. С точки зрения чистого водорода и гелия можно сказать, что они «загрязняют» Вселенную. Но если вам нравится обилие всех этих тяжёлых металлов и других элементов во Вселенной, вы можете сказать, что они обогащают её.

В некоторых регионах, богатых в прошлом звёздами большой массы – особенно там, где сменилось уже множество поколений звёзд – можно найти огромное количество металлов. Именно такая картина наблюдается в том участке космоса, где находится Солнце. Ведь в нём есть огромное количество спектральных линий поглощения, однозначно определяющих наличие тяжёлых элементов!

В отличие от «чистой» Вселенной, наш район космоса обогащён, и примерно 2% всех находящихся в нём элементов оказываются тяжелее водорода или гелия. Нашему Солнцу предшествовали не менее двух поколений звёзд, которые сформировались, сожгли своё горючее, умерли и обогатили свой район космоса. Но наш регион никак нельзя назвать одним из самых богатых регионов Вселенной, или даже нашей галактики.

А где мы можем искать такие регионы?

Огромное количество элементов тяжелее гелия, которые космологи называют металлами, находится в центрах самых массивных галактик – самых ярких, активных и жестоких регионов, известных во Вселенной.

Галактики начали формировать звёзды всего через 50-100 миллионов лет после Большого взрыва, и в самых массивных, богатых галактиках, перед тем, как их свет дойдёт до нас, может смениться не одно или два, а множество поколений звёзд.

Поэтому, когда я вижу новости типа такой:

Учёные удивились, открыв, что углерода существовал во Вселенной гораздо раньше, чем считалось ранее.

я крайне поражаюсь. Потому, что если они не имеют в виду под «ранее» 1920-й год, мы-то уже так не считаем!

Это TN J0924-2201, самая дальняя из открытых радиогалактик (с красным смещением z = 5,19. Чем больше число красного смещения, тем моложе тогда была Вселенная, и тем дальше объект от нас). О ней была написана научная работа. Но так ли удивительно, что в этой галактике обнаружено так много тяжёлых металлов? Процитируем статью:

В диапазоне 2,0 < z < 4,5 не наблюдается эволюции металличности. При помощи спектроскопии ближней инфракрасной части спектра Джианг с коллегами (2007) не нашли ярко выраженной эволюции металличности вплоть до z ∼ 6. Недавно Хуарез с коллегами (2009) обнаружили, что металличность очень высока даже у квазаров с z ∼ 6. Эти результаты показывают, что основная эпоха химической эволюции в активных ядрах галактик находится на z > 6.

Пусть вас не обманывают заголовки: хорошо известно, что Вселенная была богатой металлами и серьёзно эволюционировала уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, то есть, когда её возраст составлял всего 5% от нынешнего! К примеру, обратим внимание на эту галактику-«младенца»:

scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/11/spitzer_hubble_big_baby_galaxy_2.jpeg

Этой галактике всего 700 миллионов лет, её красное смещение таково, что приходящий от неё свет – большая часть которого была голубой или ультрафиолетовой – уже сместилась из видимой части спектра! И всё же эта галактика не только в 8 раз больше по массе, чем Млечный путь, но и даже богаче тяжёлыми элементами, чем наше Солнце!

И всё-таки нам известно, что в какой-то момент в прошлом самые первые из сформировавшихся звёзд состояли лишь из водорода и гелия. Где это было? Остаётся лишь заглядывать дальше в прошлое.

Пока что это самая дальняя из всех известных нам галактик: UDFj-39546284. Она существовала, когда Вселенной было всего 480 млн лет, то есть 3,5% от сегодняшнего её возраста!

В этой галактике есть небольшое количество горячих голубых звёзд, и её масса меньше, чем 1% массы Млечного пути! Там ли формировались первые звёзды? Типична ли эта галактика для существовавших тогда, на ранних этапах жизни Вселенной?

Согласно лучшим нашим теориям мы не будем удивлены, если настолько ранние галактики были богаты металлами, и – во многих случаях – их массы были сравнимыми с массой Млечного пути. Но в какой-то момент какая-то из удалённых галактик окажется самой первой. И мы хотим знать, где это было и когда. И сейчас для выяснения этого обстоятельства разрабатывается только один план.

И это всего лишь одна из причин, по которым нам нужен космический телескоп им. Джеймса Уэбба!

А пока мы его не запустили, не удивляйтесь, что дальние части Вселенной состоят из тяжёлых металлов, эволюционировавших звёзд и массивных галактик. Вселенная – это место, где всё, что нам известно, происходит очень быстро. Остаётся догадываться, сколько лет назад, при подходящих условиях могли сформироваться планеты и даже жизнь!