Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

озер этого периода. Недавнее датирование основано на анализе деревьев, захороненных в земле во время одного из крупнейших извержений вулкана в Европе – этим вулканом был Лах на озере Лахер-Зе. Анализ позволил согласовать данные об озерных отложениях и ледяных кернах и дал нам возможность датировать начало позднего дриаса с поразительной точностью, лучше, чем 0,1 % (как если бы вы посмотрели на меня и угадали мою дату рождения с точностью до месяца). См.: R. Reinig et al., “Precise Date for the Laacher See Eruptions Synchronizes the Younger Dryas”, Nature 595 (2021): 66–69.

11. K. Andreassen et al., “Massive Blow-out Craters Formed by Hydrate-Controlled Methane Expulsion from the Arctic Seafloor”, Science 356 (2017): 948–953.

12. D. D. Catling and K. J. Zahnle, “The Escape of Planetary Atmospheres”, Scientific American 300, no. 5 (2009): 36–43.

13. Вопреки распространенному мнению, проблема озоновых дыр не связана с глобальным потеплением. Химические вещества, содержащие Хлор, например хладагенты, в которых используются хлорфторуглеродные соединения, дрейфуют в стратосферу и разрушают там молекулы озона, позволяя большему количеству ультрафиолетового света проникать через атмосферу. Хотя это может повредить обитателям океана и суши – которые, как правило, развивались под защитным озоновым слоем, – это не влияет на температуру Земли. Однако приземный (тропосферный) озон – это парниковый газ, и он добавляет почти 10 % к эффекту потепления, вызываемому CO2, H2O, метаном и другими подобными газами.

Глава 15. День рождения Солнца: формирование Солнечной системы

1. Физикам это известно как сохранение углового момента; для объекта, движущегося по кругу, произведение массы × скорость × радиус круга остается постоянным, если на сам объект не действует внешняя сила.

2. Основной компонент всего вещества во Вселенной – темная материя. Ее происхождение остается загадкой. Масса темной материи примерно в семь раз больше массы обычного вещества во Вселенной. Но похоже, что темная материя в лучшем случае взаимодействует слабо; иными словами, она не сталкивается ни с обычной материей, ни с самой собой. В результате она остается в сферическом ореоле, внутри которого формируется уплощенный диск.

3. 87Rb(t) = 87Rb(t = 0) × e—0,693 t/T, где t – время; T – период полураспада.

В наши дни использование измеренных значений 87Rb,8 7Sr и 86Sr в образце позволяет напрямую определить его возраст, измерив наклон линии, описывающей изотопные отношения: «e» – это основание натурального логарифма, равное 2,718 – e–0,693 t/T ½ = (½) t/t½, как указано выше.

Уравнение 1 – это просто стандартное уравнение радиоактивного распада, в котором говорится, что количество 87Rb, присутствующее в любой момент времени t, равно разности количества в начале (при t = 0), и распавшегося количества.

(1)

Уравнение 2 просто преобразует уравнение 1 в более удобную форму.

87Sr(t) =87Sr(t = 0) + количество, добавленное в ходе распада 87Rb. (2)

Уравнение 3 говорит, что имеющееся количество 87Sr – это сумма количества, бывшего в начале, и того, которое добавилось за счет распада 87Rb; последнее количество – просто разность количества 87Rb, бывшего в начале, и оставшегося количества (остальное уже распалось – см. уравнение 4).

(3)

(4)

Теперь, подставив уравнение 2 в уравнение 4, мы получим уравнение 5 для количества87Sr, которое имеется в нашем образце.

Затем мы делим обе части этого уравнения на количество стабильного изотопа 86Sr и переставляем члены, получая уравнение 6.

(6)

Удобнее представить уравнение 6 в такой форме:

y = b + x × m или y = mx + b,

которое (как, я уверен, вы помните) представляет собой простое уравнение прямой линии на графике с осями x и y, где b – точка, в которой линия пересекает ось y (т. е. значение y при x = 0), а m – наклон линии.

Величина y в данном случае – это левая часть уравнения, отношение 87Sr(t) / 86Sr(t), которое легко измерить, – это просто количество атомов каждого изотопа, имеющееся в образце. Точно так же x равен 87Rb(t)/86Sr(t), современному соотношению этих двух изотопов. Член b, 87Sr (t = 0)/ 86Sr(t) – это точка пересечения оси y, и по графику можно непосредственно считать исходное количество 87Sr в образце. В конце концов нужно просто измерить наклон линии, установить его равным [e+0,693t/T – 1] и подставить известный период полураспада, чтобы найти t, возраст.

4. J. N. Connelly et al. “The Absolute Chronology and Thermal Processing of Solids in the Solar Protoplanetary Disk”, Science 338, no. 6107 (2012): 651–655.

5. E. Gaidos, A. N. Krot, J. P. Williams, and S. N. Raymond, “26Al and the Formation of the Solar System from a Molecular Cloud Contaminated by Wolf-Rayet Winds”, The Astrophysical Journal 696 (2009): 1854–1863.

Глава 16. Создание звездной пыли: как построились «кирпичики»

1. Размеры Луны и Солнца ежедневно кажутся почти одинаковыми; небольшие изменения происходят из-за их эллиптических орбит, из-за которых расстояние между Землей и этими телами периодически меняется на несколько процентных пунктов.

2. Для сравнения: средняя плотность Земли составляет 5,5 г/см3.

3. Столь высокая температура требуется из-за особенностей изотопов, о которых мы кратко упоминали в главе 6. Единственный легкий элемент, наиболее стабильное ядро которого не имеет равного числа протонов и нейтронов – это Бериллий. Период полураспада 8Be составляет всего 8,2 × 10–8 секунд, и поэтому он не может стать следующим очевидным звеном в процессе термоядерного синтеза, в котором 4He + 4He → 8Be (вернее, так и происходит, но он сразу же распадается и забирает обратно произведенную энергию). 9Be – стабильный изотоп, а изотопа с атомной массой 5, который можно было бы слить с Гелием для его получения, не существует. Поэтому нам придется подождать, пока температура не станет достаточно высокой, чтобы высокие скорости двенадцати положительных зарядов трех ядер 4He могли преодолеть силу отталкивания, сблизиться в достаточной степени и слиться в 12C под влиянием сильного взаимодействия.

4. Можно было бы подумать, что чем больше топлива у звезды, тем дольше она проживет, но на самом деле все обстоит с точностью до наоборот: нужно учитывать еще и скорость, с которой она расходует топливо. У более массивных звезд выше температура и плотность ядра, а поскольку скорость ядерной реакции в высшей степени зависима от температуры, более массивные звезды сжигают запасы топлива быстрее. Общая продолжительность жизни такой звезды, как Солнце, составляет почти 12 миллиардов лет, тогда как звезда, масса которой при рождении в двадцать пять раз больше, живет всего 7 миллионов лет.

5. NuSTAR – спутник, спроектированный и построенный в Калифорнийском технологическом институте и Колумбийском университете. Это первая миссия, перед которой стоит задача получить изображение неба в высокоэнергетическом рентгеновском излучении – и, таким образом, она первой непосредственно обнаружила только что синтезированные радиоактивные элементы в остатках сверхновых, включая остатки взрыва, наблюдавшегося в соседней галактике в 1987 году.