На создание Земли Вселенной ушло 9,2 миллиарда лет, и еще 4 миллиарда на сложную жизнь. Могли бы мы добраться туда быстрее?
История о том, как Вселенная стала такой, какая она есть сегодня, от Большого взрыва до огромной пустоты космоса, усеянной скоплениями, галактиками, звездами, планетами и жизнью, - это одна история. у всех нас есть общее. С нашей точки зрения здесь, на Земле, потребовалось около 2/3 нашей общей космической истории, прежде чем Солнце и Земля были созданы. Тем не менее, жизнь появилась в нашем мире настолько давно, насколько мы можем измерить: возможно, 4,4 миллиарда лет назад. Это заставляет задаться вопросом, предшествовала ли жизнь во Вселенной нашей планете, и, если уж на то пошло, как далеко назад могла уйти жизнь? Это то, что хочет знать Мэтт Ведель, спрашивая:
Как скоро после Большого Взрыва было достаточно тяжелых элементов для образования планет и, возможно, жизни?
Даже ограничивая себя тем типом жизни, который мы признаем «подобным себе», ответ на этот вопрос уходит корнями в более глубокую древность, чем вы можете себе представить.
Мы не можем вернуться в самое начало Вселенной, конечно. После Большого взрыва изначально не было не только звезд и галактик, но даже атомов. Всему требуется время, чтобы сформироваться, и Вселенная, рожденная с морем материи, антиматерии и излучения, изначально была в основном однородной. Самые плотные регионы были лишь на долю процента, возможно, на 0,003% плотнее, чем в среднем. Это означает, что потребуется огромное количество гравитационного коллапса, чтобы создать что-то вроде планеты, которая примерно в 1030 раз плотнее, чем средняя плотность Вселенной. И все же Вселенная может занять ровно столько времени, сколько ей нужно, чтобы все это произошло.
После первой секунды или около того антиматерия вся аннигилировала вместе с большей частью материи, оставив лишь крошечную часть оставшихся протонов, нейтронов и электронов среди моря нейтрино и фотонов. Через 3-4 минуты протоны и нейтроны образовали устойчивые атомные ядра, но это почти все изотопы водорода и гелия. И только когда Вселенная достаточно остынет ниже определенного порога, что занимает примерно 380 000 лет, мы сможем связать электроны с этими ядрами, впервые сформировав нейтральные атомы. Даже при наличии этих фундаментальных компонентов жизнь и даже каменистые планеты еще невозможны. Одних только атомов водорода и гелия просто недостаточно.
Но гравитационный коллапс - это реальная вещь, и если пройдет достаточно времени, он изменит Вселенную. Несмотря на то, что поначалу это происходит медленно, оно неумолимо и нарастает само по себе. Чем плотнее становится область пространства, тем лучше она притягивает к себе все больше и больше материи. Области, которые начинаются с наибольшей сверхплотности, растут быстрее всего, и моделирование показывает, что самые первые звезды должны сформироваться примерно через 50-100 миллионов лет после Большого взрыва. Эти звезды должны состоять исключительно из водорода и гелия и должны быть способны расти до очень больших масс: в сотни или даже в тысячу раз больше массы нашего Солнца. И когда образуется такая массивная звезда, до ее смерти остается всего один или два миллиона лет.
Но то, что происходит, когда эти звезды умирают, просто невероятно, потому что эти звезды жили. Все звезды превращают водород в гелий в своих ядрах, но самые массивные из них не только превращают гелий в углерод, но затем углерод в кислород, кислород в неон/магний/кремний/серу, и так далее и вверх по таблице Менделеева, пока вы не получите к железу, никелю и кобальту. После этого деваться больше некуда, и ядро разрушается, вызывая взрыв сверхновой. Эти взрывы возвращают огромное количество уже тяжелых элементов во Вселенную, вызывая появление новых поколений звезд и обогащая межзвездную среду. Внезапно тяжелые элементы, в том числе ингредиенты, необходимые для скалистых планет и органических молекул, теперь заполняют эти протогалактики.
Чем больше звезд живет, горит и умирает, тем богаче будет следующее поколение звезд. Многие сверхновые создают нейтронные звезды, и именно слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами создают наибольшее количество самых тяжелых элементов в периодической таблице. Чем больше доля тяжелых элементов, тем больше каменистых планет с большей плотностью, больше элементов, необходимых для жизни, какой мы ее знаем, и больше вероятность существования сложных органических молекул. Нам не нужно среднее место во Вселенной, чтобы оно выглядело как наша Солнечная система; нам просто нужно, чтобы несколько поколений звезд жили и умирали в самых плотных областях космоса, чтобы создать условия для каменистых планет и органических молекул.
К тому времени, когда Вселенной исполнится всего один миллиард лет, самые отдаленные объекты, для которых мы можем измерить содержание тяжелых элементов, содержат огромное количество углерода: столько же, сколько содержит наша собственная Солнечная система. Другие тяжелые элементы становятся еще более распространенными еще быстрее; углероду, возможно, требуется больше времени, чтобы достичь высокого содержания, потому что он в основном производится в звездах, которые не становятся сверхновыми, а не в сверхмассивных, которые становятся сверхновыми. Каменистым планетам не нужен углерод; другие тяжелые элементы прекрасно подойдут. (И многие сверхновые будут создавать фосфор; не беспокойтесь о недавних сообщениях, ложно преувеличивающих его отсутствие.) Вполне вероятно, что всего через несколько сотен миллионов лет после того, как зажглись первые звезды - к тому времени, когда Вселенной будет от 300 до 500 миллионов лет - у нас были каменистые планеты, формирующиеся вокруг самых богатых звезд в то время.
Если бы углерод не был необходим для жизни, вероятно, существовали бы области космоса, в которых тоже могли бы начаться жизненные процессы в то время. Но нам нужен углерод для такой жизни, как наша, а это значит, что нам придется немного подождать хорошей возможности для жизни. Хотя атомы углерода будут присутствовать, достаточно большое их количество, вероятно, потребует ожидания от 1 до 1,5 миллиардов лет: до тех пор, пока Вселенная не достигнет 10% своего нынешнего возраста, а не 3-4%, как это требуется для каменистых планет. Интересно думать, что Вселенная сформировала планеты и имела все ингредиенты в нужном количестве для создания жизни, за исключением углерода, и что жизнь и смерть самых массивных звезд, подобных Солнцу, нужны, чтобы дать нам достаточное количество самых важный живительный ингредиент всего.
Это интересное упражнение: если вы экстраполируете данные о самых передовых формах жизни, которые мы находим на Земле в различные эпохи истории нашей планеты, вы обнаружите, что сложность геномов возрастает с каждым конкретным периодом. тенденция. Однако если вы вернетесь к одиночным парам оснований, вы получите цифру, которая ближе к 9-10 миллиардам лет назад, чем к 12-13 миллиардам лет назад. Является ли это признаком того, что жизнь на Земле зародилась задолго до нее? И, кроме того, является ли это признаком того, что жизнь могла зародиться на миллиарды лет раньше, но где мы сейчас, чтобы начаться потребовалось несколько дополнительных миллиардов лет?
На данный момент мы не знаем. Но в то же время мы также не знаем, где та грань между жизнью и не-жизнью. Мы также не знаем, зародилась ли земная жизнь здесь, на более ранней планете, или же она зародилась в глубинах межзвездного пространства вообще без планеты.
Что невероятно интересно, так это то, что необработанные элементарные ингредиенты, необходимые для жизни, начали существовать вскоре после образования первых звезд, и самый важный ингредиент - углерод, четвертый по распространенности элемент во Вселенной - на самом деле это самый последний ингредиент, который появляется в изобилии, в котором мы нуждаемся. Скалистые планеты, по крайней мере, в некоторых местах, возникли гораздо раньше, чем может появиться жизнь: всего через полмиллиарда лет после Большого взрыва или, возможно, даже раньше. Однако, как только у нас появится углерод через 1-1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, все шаги, которые нам нужно предпринять для производства органических молекул, и первые шаги к жизни неизбежны. Какие бы жизненные процессы ни происходили, что привело к существованию человечества, насколько мы их понимаем, они могли начаться, когда Вселенная была всего лишь одной десятой от нынешнего возраста.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!