Атмосфера из фтора и скалы из золота: возможное и невозможное на экзопланетах
В предыдущих статьях рассказывалось о планетах экзотических, необычного происхождения или строения, делающих их максимально непохожими на Землю. Но ясно же, что наиболее интересны, и не только для публики (астрономы грешат теми же пристрастиями), именно «каменистые» землеподобные планеты, ибо именно они могут быть обитаемыми. Соответственно, возникает вопрос, насколько условия на таких, возникших традиционным путем из окружающего молодую звезду газопылевого диска, планетах могут отличаться от наблюдаемых в Солнечной системе.
Могут ли где-то во Вселенной существовать планеты с атмосферой не из азота и кислорода, а из азота и фтора, описанные в произведениях Ефремова?
Не могут. Писатель творил во времена, когда «научность» фантастики не означала лишь, что вместо мечей будут бластеры. Фантастика тогда вообще не стала еще коммерческим развлекательным жанром. Задачами ее считалась популяризация научных знаний в беллетризированном изложении и (опционально) разработка футурологических концепций. А это значит, что в романах Ефремова нет ничего противоречащего научному знанию, каким оно было несколько десятилетий назад. Железные звезды и планеты с атмосферой из фтора тогда вполне допускались. Но с тех пор знания ушли далеко вперед.
Если же перейти к делу, то планет с атмосферой из фтора и многих других (фтор просто взят как пример) быть не может, потому что фтора мало. И не где-то в конкретном месте, а вообще во Вселенной.
Распространенность химических элементов одинакова всюду, так как механизм их производства подчинен неизменным в пространстве и времени физическим законам. Водород и гелий (со следовыми примесями других ядер не тяжелее бериллия) были всегда – в буквальном смысле с самого начала времен. Прочие же химические элементы являются результатом переработки водорода в недрах звезд.
Основным источником выделяющейся в ядре звезды энергии является термоядерный синтез гелия из водорода. Для светил с массой менее половины солнечной – это предел. Но более крупные в конце эволюции проходят стадию гелиевой вспышки. После чего раздуваются в красный гигант и частично рассеиваются. Так вместе с наработанным гелием в галактический газ поступают элементы, образовавшиеся уже в результате горения гелия. В основном это элементы с атомной массой кратной четырем, поскольку альфа-частица – ядро гелия – состоит из четырех нуклонов. И объединяться альфа-частицы также предпочитают по четыре штуки. Если успевают. Как следствие, при горении гелия нарабатываются кислород и углерод в пропорции приблизительно 2 к 1. Захват лишней пятой альфы менее вероятен. Так что неона получается вчетверо меньше, чем углерода. И это – кислород, углерод, неон – три самых распространенных во Вселенной «тяжелых» (тяжелее гелия) химических элемента.
Четвертое место, немногим уступая неону, занимает азот, производящийся в тех же «гелиевых» реакциях, но не чистых, а с участием водорода. Захват формирующимся ядром, причем именно ядром углерода, дополнительных нуклонов высоко вероятен. Тогда как появление ядра, например фтора, имеет вероятность крайне низкую. Для этого среди пяти «альф», пытающихся соединиться в неон, должна затесаться одна «битая»: гелий-3.
Продолжая поштучно добавляться к уже готовому ядру кислорода, новые альфа-частицы последовательно превращают его (с убывающей и ничтожной уже вероятностью) в магний, кремний, серу и аргон, соответственно, занимающие шестое, седьмое, восьмое и девятое место по распространенности во Вселенной. Но тут видно, что пятое место в перечне пропущено. Да и упомянутые элементы формируются из альфа-частиц большей частью уже не в процессе гелиевых вспышек звезд средней массы, а при взрывах сверхновых.
Наиболее массовым видом сверхновых являются остающиеся после выгорания звезд средней массы белые карлики, полностью рассеивающиеся в результате «углеродной детонации» (то есть запуска реакций слияния ядер углерода). А два ядра углерода, сливаясь, образуют ядро магния. Отклонения же от сценария, подобные перечисленным выше, например, если место одного из ядер углерода в реакции займет кислород, соответственно, ведут к увеличению распространенности во Вселенной прочих «альфа-кратных» элементов. Как следствие, они нередки. Магния только в двадцать, аргона же лишь в 200 раз меньше, чем кислорода.
...Но где же пресловутый «пятый элемент», занимающий почетное место между азотом и магнием? Это железо, в процессах, описанных выше, не производящееся. Для его получения, как и для производства прочих массивных и уже не «альфа кратных» ядер, требуются звезды массой от двенадцати «солнц» и выше. Такая звезда не взрывается, пока в ней не выгорят полностью углерод и кислород. Коллапс наступает только в момент возгорания кремния. В силу специфических свойств ядра из всех элементов тяжелее кислорода именно кремний наиболее «взрывоопасен». Два кремния же (атомная масса – 28) в сумме как раз и дают железо (атомная масса – 56).