Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба - [26]
Любые, кроме водорода и гелия, элементы, которые обнаруживаются внутри звезды (или галактики, или молекулярного облака, или чего-то еще), астрономы называют металлами. Они говорят о металличности звезд – это понятие отражает, как много полезных материалов доступно там для создания землеподобных планет[103]. То, что любой элемент тяжелее водорода и гелия называется металлом, связано с тем, что при спектроскопии Солнца и соседних звезд легко вычислить соотношение содержания железа и водорода. Звезды кажутся голубыми, красными, желтыми или имеющими какие-то промежуточные оттенки, но, если в фокус телескопа поместить спектрометр – то есть по сути очень совершенную призму, – вы увидите целый лес узких темных промежутков, которые называются спектральными линиями поглощения. Они были открыты Сесилией Пейн-Гапошкиной и другими астрономами в 1920-е гг. и сообщают нам об обилии внутри звезды тех или иных элементов, поскольку возникают, когда атомы поглощают волны определенной длины из непрерывного спектра фотонов, которые пытаются вырваться из глубоких слоев звезды. Если непрерывный спектр можно сравнить с нотами, издаваемыми тромбоном, то линии поглощения блокируют волны определенной длины, создавая свой тембр для каждого элемента.
Компактное, полное пыли молекулярное облако Барнард 68 протяженностью в половину светового года и массой примерно вдвое больше массы Солнца. Оно находится на пороге гравитационного коллапса и через сотню тысяч лет превратится в одну или несколько звезд.
FORS/VLT/ESO
Чем четче линии поглощения, тем больше концентрация данного атома в фотосфере. В предположении, что солнечное вещество хорошо перемешано, в его состав по массе входит 73,9 % водорода, 24,7 % гелия и 1,4 % других элементов, в основном кислорода (1 %) и углерода (0,3 %). Нам известна концентрация еще десятков элементов, а всего их там обнаружено более 60. Если внести поправку на атомную массу, мы получим, что более 90 % атомов Солнца – это атомы водорода; аналогичным образом, соотношение числа атомов С и О составляет 0,55[104].
Химический состав примитивных метеоритов близок к составу Солнца. Если на одной оси откладывать средние содержания элементов, обнаруженных на Солнце, а на другой – элементов, найденные путем масс-спектрометрического анализа таких примитивных метеоритов, как Альенде и Оргей, то в итоге получится более-менее прямая линия. Если не учитывать газы и другие элементы, которых в метеоритах просто не может быть, то соответствие будет один к одному (то есть состав идентичен) с несколькими резко отличающимися значениями. Каждый такой выпадающий элемент вместе со своими изотопами сообщает нам нечто важное и о происхождении метеоритов, и о том, как звезды обзавелись планетами.
Если водород и гелий (H, He) – строительный материал для звезд, а кремний, магний, железо и кислород (Si, Mg, Fe, O) – основные компоненты каменистых планет, то углерод, водород, кислород, азот (C, H, O, N) и понемногу еще нескольких других элементов составляют любую пригодную для жизни среду. Поэтому теперь мы сосредоточимся на углероде и кислороде, третьем и четвертом по распространенности элементах во Вселенной. Оба являются типичными продуктами идущего внутри звезд термоядерного синтеза, в частности так называемого CNO-цикла. Возможно, что углерод производят все звезды, а кислород – преимущественно взорвавшиеся на первом этапе гиганты; если это так, то соотношение углерода и кислорода во Вселенной в целом растет. Но сейчас звезды вокруг нас обычно содержат примерно в два раза меньше атомов углерода, чем кислорода. Такое же соотношение характерно и для Солнца.
При таком соотношении, когда гигантское газовое облако остывает, H и H становятся H>2 (самая распространенная молекула), C и O превращаются в СО (самое распространенное соединение), а затем появляются CO>2, CH>4, NH>3, HCN и все прочие CHON-штуки, которые в конце концов конденсируются во льды. После завершения этих реакций основная часть углерода уже израсходована, но остается много свободного кислорода. Как уже говорилось во введении, кислород создает характерные для землеподобных планет оксиды. Один из таких оксидов – вода (H>2O), второе по распространенности соединение во Вселенной. Далее идут минералы, которые составляют кору и мантию землеподобных планет, такие как кварц (SiO>2), оливин ((Mg, Fe)>2SiO>4) и тому подобное. Мы называем их силикатами, но важнейший элемент в их составе – это кислород, а не кремний (Si), потому что, как это ни странно, образование силикатов ограничено доступностью именно кислорода. Когда кислород кончается, прекращается образование и горных пород, и воды.
Кислород – ключ ко всем этим земным активам. Но что происходит вокруг тех немногих звезд[105], в которых соотношение С и О гораздо выше? Настоящая катастрофа! В таком случае углерод связывает в молекулы СО и СО>2весь кислород. В условиях изобилия свободного углерода и отсутствия свободного кислорода, необходимого, чтобы появились горные породы и вода, из чего же сделаны их планеты? Планеты-гиганты по-прежнему будут состоять из газообразных водорода и гелия, но под черными графитовыми облаками, из которых льются алмазные дожди. «Каменистые» планеты выглядят там еще более странно. Вместо силикатов там будут карбиды, карбонаты и твердый углерод, а вместо воды – углеводороды, такие как метан и пропан (CH
