Как Вселенная сделала наше существование возможным?

Основной источник — Этан Сигел (Ethan Siegel), группа источников — «Starts With a Bang»

Мы можем узнать об истории Вселенной просто посмотрев на самих себя. Тело взрослого человека представляет собой восхитительную сложную систему, созданную из триллионов клеток и около 1028 атомов, составных элементов всей материи на Земле. История создания человека сообщает нам информацию не только об эволюции и истории Земли, но и обо всей Вселенной в целом.

На нашем существовании сказались не только выживание, процветание и заполнение всевозможных экологических ниш, но и Вселенная в целом. История нашего появления требует рассмотрения всех этапов развития наших космических предшественников, начиная с предыдущих поколений звезд и слияний древних галактик и до самого Большого взрыва. Даже темная материя играет чрезвычайно важную роль в существовании человека в этой Вселенной. У человечества ушло 13,8 миллиардов лет, чтобы появиться на Земле, и нам наконец-то удалось реконструировать космическую история нашего создания.

From the largest cosmic scales down to the smallest subatomic ones, the same laws of physics define ... NASA / JENNY MOTTAR

Чтобы на базовом уровне понять, что представляет из себя человеческое существо, нужно посмотреть на основные составляющие его тела, на атомы. Кислород — основной компонент наших тел, затем идет углерод, водород, азот и кальций. В общей сложности, существует около 56 элементов периодической системы составляющих минимум 0,1 миллиграмма обычного человека, включая легкие и тяжелые элементы, играющие важную роль в наших биологических процессах.

На протяжении последних 200 тысяч лет существования людей на Земле каждое последующее поколение наследовало предыдущему. Любая живая особь происходит от родительского организма (или организмов), а генетический материал (и все возможные мутации) переходят от родителей к ребенку. Таким образом, любой живой организм на планете связан своей историей с непрерывной линией жизни возрастом в четыре миллиарда лет.

Однако все когда-либо существовавшие виды состояли из тех же компонентов, что и человек, из тех же элементов и атомов. Все они нуждаются в надежном доме, где смогут превратиться в стабильную форму жизни, которая сможет размножаться и поддерживать себя миллиарды лет. Этим домом может стать каменистая планета вроде Земли на орбите относительно устойчивой звезды как Солнце. Нет никакой гарантии, что эволюция чего-то похожего на человека неизбежна, но для каждой планеты во Вселенной, имеющей сходные с Землей условия, мы должны предусмотреть такую возможность.

В таком случае вопрос заключается следующем. Что должно случиться для образования жизни на планете вроде Земли, вращающейся вокруг похожей на Солнце звезды? Мы не можем просто сказать: «Вселенная была так создана», потому что наука так не работает. В науке, если ты хочешь ответить на вопрос о Вселенной, ты должен спросить об этом саму Вселенную. Мы делаем это, создавая гипотезы, проведя эксперименты и наблюдения и приходя к определенным выводам.

К счастью, такой метод успешно снабжает нас ответами на наши вопросы.

Первый нужный нам ингредиент — это необходимые для жизни элементы, составляющие периодическую таблицу. Внимательно рассматривая Землю и другие тела Солнечной системы, включая метеориты, падающие на нашу планету, мы можем определить, какие элементы присутствуют и в каком объеме, в космических телах содержатся все нужные для жизни вещества.

Изучение Вселенной включает изучение больших массивных звезд; образования сверхновых; маленьких, похожих на Солнце звезд; звездных останков вроде белых карликов и нейтронных звезд; космических лучей и самого Большого взрыва. Эта информация поможет нам понять, откуда поступает большинство элементов. Таким образом, чтобы создать Вселенную, допускающую существование человека, мы должны понять, что необходимо для этого.

Возможно, ответ вас удивит, но нам нужно все это. Однако нельзя брать все элементы одновременно.

Если наша Вселенная началась с Большого взрыва, единственными элементами, что были тогда, являются водород, гелий и немного лития (элемент №3). Причина этому проста: на ранних горячих стадиях у вас есть множество протонов и нейтронов при высокой энергии, но также у вас есть и множество фотонов, частиц света, которые отталкивают протоны и нейтроны друг от друга, если они сталкиваются.

Только когда Вселенная расширяется и достаточно остывает, протоны и нейтроны могут создать более тяжелые элементы, а это занимает время. Однако к этому моменту среда уже менее плотная и активная, а электрические силы, отталкивающие два атома гелия, настолько сильны, что частицы не могут преодолеть ее. Во время Большого взрыва создаются только легкие элементы. Для тяжелых элементов нужно подождать образования звезд.

Ушли десятки, а может сотни лет, чтобы Вселенная достаточно остыла, а гравитация собрала достаточно материи в разных местах, чтобы началось образование звезд. Для того, чтобы это случилось, Вселенной нужно:

1. родиться с некоторыми недостатками, в одних областях будет больше вещества, чем в других;
2. достаточно остыть, чтобы стало возможным формирование стабильных атомов из ионизированных атомных ядер и свободных электронов;
3. притянуть достаточное количество материи в одно место, чтобы газовые облака могли взорваться и создать звезды;
4. этот взрыв должен выделить достаточное количество энергии, чтобы внутри звезды начался ядерный синтез.

Первый пункт — ключевое доказательство расширения Вселенной. События второго пункта — источник реликтового излучения. На третий этап уходит больше всего времени, те самые десятки или сотни миллионов лет. Однако четвертый этап вызывает недопонимание.

Почему?

Обычно при образовании звезд газ остывает, отдавая энергию через свои тяжелые элементы. Если таких элементов нет, единственный способ остыть — образование газообразного водорода, однако это чрезвычайно неэффективно. В следствие этого самые первые звезды, которых астрономы называют население III, сильно отличались от нынешних.

В целом, при образовании новых звезд Вселенная создает несколько тяжелых и массивных голубых звезд. Однако новая звезда обычно маленькая, всего 40% массы Солнца. По причине отсутствия тяжелых элементов средняя звезда населения III должна была быть в 10 раз больше Солнца. Это значит, что все они прожили мало и исчезли во взрыве суперновой.

В определенном смысле это хорошо. Суперновые могут не только создавать определенный ряд тяжелых элементов, но они также ведут к образованию нейтронных звезд, которые могут сливаться вместе и создавать самые тяжелые элементы, такие как йод, золото, платина и вольфрам. Эти первые звезды важны, как и тот факт, что они создали суперновые.

Проблема заключается в том, что ранние звездные кластеры обладают малым количеством материи, тогда как суперновые выкидывают материю с огромной скоростью. Если вы проведете подсчеты и сравните данные «сколько материала потребовалось для создания первых звезд» с данными «насколько быстро суперновые выбрасывают материю», вы столкнетесь с головоломкой.

Выброшенная материя распространяется слишком быстро для существующей массы. Это значит, что тяжелые элементы должны были чрезвычайно быстро выбрасываться в межгалактическое пространство.

Это плохо! Нужно держаться за этот материал, он нужен нам для формирования нового поколения звезд, а конкретно для создания:

• последующих поколений звезд, чтобы в итоге получить звезды малой массы;
• каменистых планет, чтобы мы могли получить миры вроде Земли, а не только газовые планеты;
• жизни, потому что для нее нужны химические процессы, которые возможны только при наличии тяжелых элементов.

Обычной основанной на атомах Вселенной для этого не хватит. Всего существующего газа, пыли и черных дыр недостаточно, чтобы создать гравитационные силы, достаточные для удержания этой материи. Во Вселенной, состоящей только из атомов, массивные структуры вроде Млечного Пути невозможны. Для их создания нужен еще один материал: темная материя.

С темной материей эти ранние звездные кластеры и протогалактики обладают достаточной гравитацией, чтобы удержать материю, разлетающуюся от взрывов суперновых и прочих катаклизмов. Она позволяет притягивать к себе больше и больше материи. С течением времени накапливается достаточно материи, включая тяжелые элементы, для начала формирования более развитых звезд. Эти звезды менее массивны, с их помощью создаются не только элементы периодической таблицы, но и белые карлики, которые сталкиваются и взрываются, что влечет за собой формирование таких элементов, как углерод, азот и кальций, являющихся основными для человеческого тела.

В конце концов, по прошествии миллиардов лет индивидуальные галактики, такие как Млечный Путь, накапливают достаточно тяжелых элементов, чтобы при формировании новых звезд можно было вокруг них создать каменистые планеты Земного типа. Считается, что спустя примерно 9,2 миллиарда лет после Большого взрыва, в области звездообразования Млечного Пути формируется целый ряд звезд, одна из которых станет нашим Солнцем. Его протопланетарный диск разовьется таким образом, что появятся четыре каменистые планеты внутренней зоны, а также система внешних газовых гигантов. На третьей планете от Солнца, Земле, однажды сформируется жизнь, что приведет к появлению человека.

Ни одно из этих событий не было предопределено. Если мы отмотаем время назад к моменту образования Солнечной системы, а потом опять запустим часы, то очень маловероятно, что у нас получится сформировать жизнь, даже если мы проделаем это миллиард раз. Однако если мы отмотаем время до ранних стадий горячего Большого взрыва, то будут неизбежны наполненная звездами Вселенная, галактики, каменистые планеты, звезды солнечного типа и триллионы за триллионами шансов формирования жизни.

Причина этого проста: законы и основные ингредиенты Вселенной останутся теми же. Вселенная, рожденная из обычной материи, произведет легкие элементы. Наполненная недостатками Вселенная сформирует поколения звезд. Вселенная с темной материей притянет выбрасываемые материалы и образует звезды с тяжелыми элементами. Вселенная со вторым поколением звезд сформирует каменистые планеты и звезды солнечного типа. А Вселенная с каменистыми планетами земного типа сделает возможным появление жизни, ее сохранение и процветание на миллионы лет. Все остальное может быть случайным, но только не то, что сделало наше существование возможным. И от всех нас зависит, растеряем мы это или нет.

Оригинал публикации: How Did The Universe Make Our Existence Possible?

Источник