Historia Ziemi. Od gwiezdnego pyłu do żyjącej planety

Robert M. Hazen, naukowiec z Carnegie Institution for Science i autor bestsellerów, w swoim radykalnie nowym ujęciu biografii Ziemi odkrywa, w jaki sposób koewolucja geosfery i biosfery – skał i materii ożywionej – ukształtowała naszą planetę w niepowtarzalny sposób, jako jedyną tego rodzaju w Układzie Słonecznym, jeśli nie w całym kosmosie.

Z wyobraźnią astrobiologa, perspektywą historyka i pasją, Hazen tłumaczy, jak zmiany na poziomie atomowym przekładają się na dramatyczne przeobrażenia Ziemi przez przeszło 4,5 miliarda lat jej istnienia.

Przywołuje ekscytujące nowe odkrycia, by przedstawić w bogatych szczegółach kolejne przekształcenia naszej planety, od jej szybkiej rotacji w niemowlęctwie, kiedy Słońce wschodziło co pięć godzin, a Księżyc wypełniał 250 razy więcej nieba niż teraz, do skąpanej w morzu młodości, zanim powstały pierwsze kontynenty; od Wielkiego Utlenienia, które spowodowało, że Ziemia stała się czerwona, do działalności wulkanicznej, która zmieniła Ziemię i mogła być prawdziwym zabójcą dinozaurów.

Dzięki teorii Hazena o koewolucji dowiadujemy się, w jaki sposób reakcje pomiędzy organicznymi cząsteczkami i kryształami skalnymi mogły przyczynić się do powstania pierwszych organizmów na Ziemi, które z kolei są odpowiedzialne za istnienie większości minerałów na naszej planecie, tysięcy różnych rodzajów kryształów, które nie mogłyby zaistnieć w świecie pozbawionym życia.

Robert M. Hazen jest profesorem nauk o Ziemi na George Mason University oraz wykładowcą w Carnegie Institution’s Geophysical Laboratory.

Ziemia zawsze była niespokojną, ewoluującą planetą. Od jądra do skorupy wciąż podlega zmianom. Nawet dzisiaj powietrze, oceany i lądy nieustannie się zmieniają, być może nawet w tempie nieporównywalnym z tym z niedawnej przeszłości naszej planety.

Robert M. Hazen
Historia Ziemi
Od gwiezdnego pyłu do żyjącej planety
Przełożyła Zofia Łomnicka
Seria: Wiedza i Życie – Orbity Nauki
Wydawnictwo Prószyński Media
Premiera: 2 października 2014

Spis treści

Wstęp 11
1. Narodziny Powstanie Ziemi 18
2. Wielkie Bombardowanie Powstanie Księżyca 42
3. Czarna Ziemia Pierwsza skorupa bazaltowa 63
4. Błękitna Ziemia Powstanie oceanów 86
5. Szara Ziemia Pierwsza skorupa granitowa 110
6. Żyjąca Ziemia Geneza życia 135
7. Czerwona Ziemia Fotosynteza i Wielkie Utlenianie 161
8. „Nudny miliard lat” Mineralna rewolucja 189
9. Biała Ziemia Kula śnieżna – efekt cieplarniany 211
10. Zielona Ziemia Powstanie biosfery ziemskiej 237
11. Przyszłość Scenariusze zmieniającej się planety 261
Epilog 284
Podziękowania 287
Indeks 290

Wstęp

Jedną z najbardziej fascynujących ikon XX wieku jest fotografia wschodu Ziemi nad Księżycem, zrobiona przez człowieka w 1968 roku z orbity Księżyca. Od dawna wiemy, że nasz świat jest wyjątkowy i cenny: Ziemia jest jedyną znaną planetą posiadającą oceany pełne wody, atmosferę bogatą w tlen oraz życie. Mimo to wielu z nas nie było przygotowanych na zapierający dech w piersi kontrast pomiędzy upiornym krajobrazem księżycowym, czarną, pozbawioną życia pustką a naszym przyjaznym domem, błękitnym, poprzecinanym białymi żyłkami. Z tego odległego, dogodnego punktu obserwacyjnego Ziemia wydaje się samotna, mała i delikatna, jednak o wiele piękniejsza niż jakikolwiek inny obiekt na niebie.
Nic więc dziwnego, że jesteśmy urzeczeni światem, który jest naszym domem. Na przeszło dwa wieki przed narodzeniem Chrystusa grecki filozof, matematyk, astronom i geograf Eratostenes z Cyreny dokonał pierwszych udokumentowanych badań Ziemi. Swoje genialne pomiary obwodu Ziemi oparł na prostej obserwacji cieni. W położonym w pobliżu równika egipskim mieście Syene w południe, w czasie letniego przesilenia, zaobserwował Słońce bezpośrednio nad głową. Pionowy palik nie rzucał cienia. Natomiast tego samego dnia i o tej samej godzinie w przybrzeżnym mieście Aleksandrii, około 790 kilometrów na północ, identyczny pionowy palik rzucał lekki cień, co oznaczało, że tam Słońce nie znajdowało się dokładnie nad głową obserwatora.
Eratostenes zastosował twierdzenia geometryczne swojego greckiego poprzednika, Euklidesa, i stwierdził, że Ziemia musi być kulą. Obliczył jej obwód na około 40 tysięcy kilometrów, co jest zaskakująco bliskie współczesnemu ustaleniu obwodu wokół równika wynoszącemu 40 076 kilometrów.
Przez wiele wieków tysiące innych uczonych, niektórzy o sławnych nazwiskach, lecz większość już zapomnianych, badało nasz planetarny dom i zastanawiało się nad jego tajemnicami. Pytali, jak powstała Ziemia, jak porusza się po niebie, z czego jest zbudowana i jak funkcjonuje. Przede wszystkim jednak zastanawiali się, w jaki sposób nasza dynamiczna planeta wyewoluowała i jak się stała światem pełnym życia. Dzisiaj, dzięki nagromadzonej niezwykłej wiedzy oraz dzięki cudom techniki, wiemy więcej o Ziemi, niż byli w stanie zgłębić starożytni filozofowie. Oczywiście nie wiemy wszystkiego, posiadamy jednak bogatą i głęboką znajomość przedmiotu. Od zarania ludzkości zwiększa się nasza wzbogacana przez tysiąclecia wiedza o Ziemi i oto okazuje się, że badanie Ziemi jest badaniem zmian.
Wiele dowodów wskazuje, że pewne cechy Ziemi podlegają nieustannym zmianom, rok po roku, epoka po epoce. Świadczyć o tym mogą warstwowe złoża osadów, inaczej nazywane osadami warwowymi. Występują one w niektórych jeziorach lodowcowych w Skandynawii i stanowią utworzony przez przeszło 13 tysięcy lat powtarzalny wzór naprzemiennych grubo- i drobnoziarnistych warstewek, powstałych w konsekwencji szybszej erozji podczas corocznych wiosennych odwilży.
Rdzenie lodowe z Antarktydy i Grenlandii to dowód na sezonową akumulację lodu przez ponad 800 tysięcy lat. Natomiast cienkie jak papier złoża łupków z Green River Shale w stanie Wyoming są świadectwem corocznych zmian zachodzących przez przeszło milion lat. Każda z tych warstw spoczywa na znacznie starszych skałach, co również świadczy o wielkich cyklach przemian.
Pomiary kolejnych procesów geologicznych wskazują na jeszcze większą rozpiętość czasu w historii Ziemi. Utworzenie wielkich Wysp Hawajskich wymagało powolnej i trwałej aktywności wulkanicznej; kolejne nadkłady lawy gromadziły się przez dziesiątki milionów lat. Appalachy i inne stare góry, których wierzchołki obecnie mają charakterystyczny obły kształt, to wynik setek milionów lat stopniowej erozji przerywanej potężnymi osunięciami się ziemi. Czasem w historii geologicznej nieprzewidywalne ruchy płyt tektonicznych przemieszczały kontynenty, wypiętrzały góry i otwierały oceany.
Ziemia zawsze była niespokojną, ewoluującą planetą. Od jądra do skorupy wciąż podlega zmianom. Nawet dzisiaj powietrze, oceany i lądy nieustannie się zmieniają, być może nawet w tempie nieporównywalnym z tym z niedawnej przeszłości naszej planety.
Niemądrze byłoby zlekceważyć te niepokojące globalne zmiany, zresztą dla wielu z nas byłoby to niemożliwe, bo ciekawość i troska o nasz planetarny dom jest dla nas równie naturalna, jak była dla Eratostenesa. Bylibyśmy jednak równie niemądrzy, gdybyśmy poprzestali na obserwacji obecnego stanu Ziemi, nie korzystając w pełni z tego, co wiemy o jej zadziwiającej przeszłości, o jej nieprzewidywalnej dynamicznej teraźniejszości oraz o nas samych i naszym miejscu w jej przyszłości.
Spędziłem większość życia, próbując zrozumieć ten nasz tętniący życiem, skomplikowany, wciąż zmieniający się dom. W dzieciństwie kolekcjonowałem kamienie i minerały, zapełniałem swój pokój skamieniałościami i kryształami wraz z przypadkowo znalezionymi owadami i kośćmi. Moja cała kariera zawodowa skupiała się wokół tematu Ziemi. Zacząłem od badań nad submikroskopową skalą atomów, studiowałem molekularną strukturę minerałów tworzących skały, ogrzewając i zgniatając maleńkie ziarna minerałów, aby udowodnić, że to, co dzieje się we wnętrzu Ziemi, przypomina gotowanie w szybkowarze.
Wraz z upływem czasu zacząłem się zajmować szerszym pod względem przestrzeni i czasu spektrum geologii. Od pustyń północnej Afryki do grenlandzkich pól lodowych, od brzegów Hawajów do szczytów Gór Skalistych, od Wielkiej Rafy Koralowej w Australii do starodawnych skamieniałych raf koralowych – naturalne księgozbiory Ziemi odsłaniają wiele miliardów lat koewolucji pierwiastków, minerałów, skał i życia. Kiedy program moich badań został ukierunkowany na prawdopodobną rolę minerałów w geochemicznej genezie życia, z rozkoszą zagłębiłem się w analizach, które wykazywały, że koewolucja życia i minerałów w historii Ziemi jest bardziej niezwykła, niż można by to sobie wyobrazić – że nie tylko niektóre skały wzięły swój początek z życia, co ujawniają jaskinie wapienne na całym świecie, ale że samo życie mogło powstać ze skał.
Przez przeszło 4 miliardy lat historii Ziemi historie ewolucji minerałów i życia, geologii i biologii przeplatały się ze sobą w zadziwiający sposób, ale dopiero teraz zyskały należną uwagę. W 2008 roku te idee doszły do głosu w niekonwencjonalnym referacie na temat ewolucji mineralnej – nowej, kontrowersyjnej koncepcji, którą niektórzy przyjęli z uznaniem, jako pierwszą od dwóch wieków zmianę paradygmatu mineralogii, podczas gdy inni traktowali ją nieufnie, jako nieuzasadnioną próbę ingerencji w ustalony porządek epok geologicznych.
Mineralogia, choć niesłychanie ważna dla naszej wiedzy o Ziemi i jej przeszłości, była dziwnie statyczna i obojętna wobec kaprysów czasu. Przez przeszło dwieście lat pomiary składu chemicznego, gęstości, twardości, właściwości optycznych i struktury kryształów były codziennym pożywieniem mineralogów. Idźcie do jakiegokolwiek muzeum mineralogii i zobaczycie, co przez to rozumiem: wspaniałe okazy kryształów ułożone w szklanych gablotach, z etykietami z nazwą, wzorem chemicznym, układem krystalograficznym i lokalizacją. Te najcenniejsze fragmenty Ziemi zawierają w sobie kontekst historyczny, lecz najprawdopodobniej nadaremnie szukalibyście jakichś wskazówek co do wieku ich powstania i dalszych przemian geologicznych. Takie podejście odziera minerały z ich niezwykle ciekawej historii.
Ten tradycyjny pogląd musi się zmienić. W miarę badań nad bogatą historią skał coraz wyraźniej uzmysławiamy sobie, iż świat przyrody, zarówno ożywionej, jak i nieożywionej, podlega stałym zmianom. Coraz większe zrozumienie zmian zachodzących na naszej planecie systematycznie wraz z upływem czasu pozwoliło nam domyślać się, nie tylko jak powstały minerały, lecz również kiedy się to działo. Dzięki ostatnim odkryciom organizmów w miejscach od dawna uznanych za nienadające się do życia, w przegrzanych szczelinach wulkanicznych, kwaśnych jeziorach, lodzie arktycznym i pyle stratosfery, mineralogia stała się kluczową dyscypliną nauki poszukującej zrozumienia genezy i przetrwania życia.
W listopadowym wydaniu z 2008 roku najbardziej reprezentatywnego pisma z tej dziedziny, „American Mineralogist”, wraz z kolegami zaproponowałem nowy sposób myślenia o królestwie minerałów i jego niezwykłych przemianach zachodzących w niezbadanych otchłaniach czasu. Podkreślaliśmy, że przed wielu miliardami lat w kosmosie nie było minerałów. Żadna substancja krystaliczna nie mogła powstać, a tym bardziej przetrwać w gorącej plazmie po Wielkim Wybuchu. Minęło pół miliona lat, zanim pierwsze atomy wodoru, helu i niewielkie ilości litu wyłoniły się z kadzi stworzenia. Jeszcze wiele milionów lat zajęło grawitacji, by zachęcić te pierwotne gazowe pierwiastki do utworzenia mgławic, a potem doprowadzić do zapadnięcia się mgławic w pierwsze gorące, gęste, rozżarzone gwiazdy.
Dopiero kiedy te pierwsze gwiazdy eksplodowały, tworząc supernowe o niezwykłym blasku, kiedy rozszerzająca się i ulegająca ochłodzeniu otoczka bogatego w pierwiastki gazu zagęściła pierwsze maleńkie kryształy diamentu, dopiero wtedy mogła rozpocząć się kosmiczna saga mineralogii.
Stałem się zapalonym czytelnikiem dziejów skał – tych przykuwających uwagę historii, choć czasem niejasnych i fragmentarycznych, mówiących o narodzinach i śmierci, o bezruchu i zmianach, o genezie i ewolucji. Ta ogromna, ściśle spleciona historia żyjących i martwych ziemskich sfer, koewolucji życia i skał jest absolutnie zadziwiająca. Trzeba się nią podzielić, ponieważ my jesteśmy Ziemią. To wszystko, co daje nam schronienie i pożywienie, wszystkie przedmioty, jakie posiadamy, każdy atom i cząsteczka naszych cielesnych powłok pochodzi z Ziemi i powróci do Ziemi. Tak więc poznanie naszego domu to poznanie części nas samych.
Należy się podzielić opowieścią o Ziemi również dlatego, że nasze oceany i atmosfera zmieniają się w tempie rzadko spotykanym w jej długiej historii. Podnosi się poziom oceanów, woda w nich staje się cieplejsza i bardziej kwaśna. Zmieniają się globalne wzorce opadów deszczu, a w atmosferze występuje coraz więcej zakłóceń. Polarny lód topnieje, tundra odmarza, środowiska roślin i zwierząt ulegają przesunięciom. Jak zobaczymy później, historia Ziemi jest sagą zmian, ale podczas tych rzadkich, dawnych wydarzeń, kiedy zmiany następowały w przerażającym tempie, życie płaciło za to straszną cenę.
Jeśli, dla własnego dobra, mamy działać rozsądnie i w odpowiednim czasie, musimy dokładnie poznać Ziemię i jej historię. Jak było widać na tym niezwykłym zdjęciu zrobionym z perspektywy pozbawionego życia, odległego o 385 tysięcy kilometrów ciała niebieskiego, nie mamy innego domu.
Zgodnie z tradycją Eratostenesa oraz tysięcy badaczy, jego następców, moim celem jest przekazanie w tej książce długiej historii zmian Ziemi. Choć Ziemia może wydawać się bliska i znana, jej tętniąca życiem historia jest serią prawie niewyobrażalnych przemian. By prawdziwie poznać swój planetarny dom i ogarnąć umysłem wieki, które go formowały, należy najpierw przyjąć do wiadomości siedem zasadniczych prawd.

1. Ziemia składa się z atomów odzyskanych i odzyskiwanych w trakcie nieustającego „kosmicznego recyklingu”.
2. Ziemia jest niezwykle stara w porównaniu z długością ludzkiego życia.
3. Ziemia jest trójwymiarowa, a większość toczących się na niej procesów jest ukryta przed naszym wzrokiem.
4. Historia Ziemi zapisana jest w skałach.
5. Układ Ziemi – skały, oceany, atmosfera i życie – pozostaje w stanie skomplikowanej zależności.
6. Historia Ziemi to długie okresy zastoju przerywane czasem nagłymi, nieodwracalnymi wydarzeniami.
7. Życie zmieniło i wciąż zmienia powierzchnię Ziemi.

Te zasady dotyczące Ziemi stanowią ramę dla historii atomów, minerałów, skał i życia w przestrzeni i czasie; pojawią się na następnych stronach, przy każdej fazie burzliwej genezy Wszechświata i długiej ewolucji Ziemi. Koewolucja Ziemi i życia, nowy paradygmat, który leży u podstaw tej książki, jest częścią nieodwracalnej sekwencji etapów ewolucji, począwszy od Wielkiego Wybuchu. Każdy etap wprowadzał nowe procesy i zjawiska, które w ostatecznym rozrachunku miały wciąż przetwarzać powierzchnię naszej planety, nieuchronnie torując drogę temu cudownemu światu, jaki dziś zamieszkujemy. Taka jest historia Ziemi.

Rozdział 1

NARODZINY

Powstanie Ziemi

Miliardy lat przed powstaniem Ziemi

Na początku nie było Ziemi ani żadnego Słońca, które mogłoby ją ogrzać. Nasz Układ Słoneczny wraz ze swoją świecącą centralną gwiazdą oraz różnymi planetami i księżycami jest relatywnie nowym przybyszem w kosmosie – ma jedynie 4,567 miliarda lat. Wiele musiało się wydarzyć, zanim nasz świat mógł wyłonić się z nicości.
Przygotowania do narodzin naszej planety rozpoczęły się o wiele wcześniej, kiedy wszystko miało się zacząć w Wielkim Wybuchu, który według najnowszych szacunków nastąpił 13,7 miliarda lat temu. Ten moment stworzenia jest najbardziej nieuchwytnym i trudnym do zrozumienia wydarzeniem w historii Wszechświata. To nietypowe, nieoczekiwane zjawisko, przemiana niczego w coś, pozostaje poza zakresem kompetencji współczesnej nauki i logiką matematyki.
Gdybyśmy szukali w kosmosie śladów boga-stworzyciela, należałoby zacząć od Wielkiego Wybuchu.
Na początku cała przestrzeń, energia i materia powstały z nieznanej pustki. Nic. Potem coś. To przekracza nasze zdolności do tworzenia metafor. Nasz Wszechświat nie pojawił się nagle, kiedy przedtem była tylko próżnia, ponieważ przed Wielkim Wybuchem nie było przestrzeni ani czasu. Nasza koncepcja nicości implikuje pustkę, ale przed Wielkim Wybuchem nie było niczego, w czym mogłaby być pustka.
Potem, w jednej chwili, było nie tylko coś, ale wszystko naraz, jednocześnie. Nasz Wszechświat miał mniejszą objętość niż jądro atomu. Ten maksymalnie ściśnięty kosmos stanowił czystą, jednorodną energię, nie było w nim cząstek, które mogłyby zakłócić tę doskonałą jednolitość. Wszechświat szybko się rozszerzał, choć nie w przestrzeni, wokół niego bowiem nie było nic (w naszym Wszechświecie nie ma niczego na zewnątrz). A on sam, pozostając nadal w postaci gorącej energii, rozwijał się i rósł. W trakcie rozszerzania się ochładzał. Pierwsze cząstki subatomowe pojawiły się w ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu – elektrony i kwarki, niewidzialne elementy wszystkich ciał stałych, płynów i gazów w naszym świecie, zmaterializowały się z czystej energii. Wkrótce potem, wciąż w ułamku pierwszej sekundy, kwarki połączyły się w pary i trójki, by utworzyć większe cząstki, łącznie z protonami i neutronami, które występują w każdym jądrze atomu. Wszystko nadal było niezwykle gorące i pozostało w takim stanie przez około pół miliona lat, dopóki wciąż trwająca ekspansja nie ochłodziła kosmosu do kilku tysięcy stopni; wówczas stało się już na tyle chłodno, że elektrony mogły przyłączyć się do jąder i utworzyć pierwsze atomy. Przeważająca liczba tych pierwszych atomów to wodór, który stanowił przeszło 90 procent wszystkich atomów, z kilkoma procentami helu i śladami litu. Taka mieszanina pierwiastków utworzyła pierwsze gwiazdy.

Pierwsze światło

Grawitacja jest wielką siłą przyciągającą. Atom wodoru jest maleńki, lecz kiedy weźmiemy jeden atom i pomnożymy go przez dziesięć do potęgi sześćdziesiątej, otrzymamy bilion bilionów bilionów bilionów bilionów atomów wodoru, które wywierają na siebie silne wzajemne oddziaływania grawitacyjne. Grawitacja ściąga je do środka, do wspólnego centrum, tworząc gwiazdę – gigantyczną kulę gazu z ogromnym ciśnieniem w jądrze. Kiedy ogromna chmura wodoru się zapada, proces tworzenia gwiazdy przekształca energię kinetyczną poruszających się atomów w energię potencjalną grawitacji, co ponownie przyczynia się do uwolnienia ciepła. Jest to tak samo gwałtowny proces jak w przypadku uderzenia asteroidy w Ziemię, tylko uwalnia się wówczas o wiele większa energia. Środek chmury wodoru w końcu osiąga temperaturę milionów stopni i ciśnienie milionów atmosfer. Takie temperatury i ciśnienia wyzwalają nowe zjawisko zwane syntezą jądrową. W tych ekstremalnych warunkach jądra dwóch atomów wodoru (czyli protony) zderzają się z taką siłą, że powstają jądra wodoru bardziej masywne niż inne (składające się z protonu i neutronu). Po kilku takich kolizjach tworzy się jądro helu z dwoma protonami.
Co dziwne, uzyskany atom helu jest o mniej więcej 1 procent mniej masywny niż oryginalne atomy wodoru, z których powstał. Ta utrata masy przekształca się bezpośrednio w energię cieplną (jak w bombie wodorowej), która wywołuje dalsze reakcje termojądrowe. Gwiazda „rozpala się”, rozsiewając dokoła swoją promienistą energię, i staje się coraz bogatsza w hel kosztem wodoru.
Duże gwiazdy, o wiele większe niż nasze Słońce, zużyły w końcu kolosalne zasoby wodoru ze swoich jąder. Jednak ekstremalne ciśnienie wewnętrzne i wysoka temperatura nadal sprzyjały syntezie jądrowej. W gwiezdnym jądrze atomy helu z dwoma protonami w jądrze połączyły się, by utworzyć węgiel, podstawowy pierwiastek życia z sześcioma protonami, a w kulistej otoczce jądra nowe impulsy energii atomowej wyzwalały fuzję wodoru. Następnie węgiel z jądra w efekcie fuzji utworzył neon, a neon tlen, potem magnez, krzem, siarkę i tak dalej, i tak dalej. Budowa gwiazdy zaczęła stopniowo przypominać strukturę cebuli, z kolejnymi koncentrycznymi warstwami syntezy jądrowej. Te reakcje zachodziły coraz szybciej, aż do momentu kiedy końcowa faza wytwarzania żelaza trwała jedynie jeden dzień. Wtedy, na skutek syntezy jądrowej, w cyklu życiowym pierwszych gwiazd, w wiele milionów lat po Wielkim Wybuchu, powstała większość pierwszych dwudziestu sześciu pierwiastków układu okresowego.
Synteza jądrowa kończy się na żelazie. Kiedy zachodzi proces syntezy helu z wodoru, a węgla z helu oraz podczas wszystkich innych procesów, uwalnia się ogromna ilość energii jądrowej. Natomiast żelazo ma najniższą energię ze wszystkich jąder atomowych. Podobnie jak gwałtowny ogień zmienia całe paliwo w popiół, w tym wypadku również cała energia została zużyta. Żelazo jest popiołem reakcji jądrowej, nie można wydobyć energii jądrowej, poddając żelazo fuzji z czymkolwiek. Tak więc kiedy pierwsza masywna gwiazda wytworzyła swe żelazne jądro, gra była skończona, a jej wynik to katastrofa. Do tego momentu gwiazda utrzymywała stabilną równowagę na zasadzie przeciwwagi dwóch wielkich sił wewnętrznych: grawitacja przyciągała masę do środka, a reakcje jądrowe wypychały masę w przeciwnym kierunku. Jednak kiedy jądro wypełniło się żelazem, ustało wypychanie na zewnątrz, a grawitacja nabrała niewyobrażalnej siły. Cała gwiazda zapadła się do środka z ogromną szybkością i wybuchła w pierwszą supernową. Gwiazda została rozszarpana, wyrzucając większość swojej masy na zewnątrz.

Narodziny chemii

Dla tych czytelników, którzy poszukują jakiegoś projektu w kosmosie, supernowe są równie dobrym punktem wyjścia jak Wielki Wybuch. Doprowadził on nieuchronnie do powstania atomów wodoru, które równie nieuchronnie uformowały pierwsze gwiazdy. Jednak wcale nie jest oczywiste, w jaki sposób gwiazdy, same w sobie, mogą przyczynić się do stworzenia współczesnego, żyjącego świata. Wielka kula wodoru, nawet jeśli jej jądro otacza rozrastający się wokół zbiór cięższych pierwiastków, łącznie z żelazem, nie jest zbyt interesującym punktem wyjścia.
Jednak wybuchy pierwszych wielkich gwiazd zaowocowały czymś nowym w kosmosie. Ich odłamki zapełniły go pierwiastkami, które powstały w samych gwiazdach. Szczególnie dużo było węgla, tlenu, azotu, fosforu i siarki, czyli pierwiastków życia. Było też wiele magnezu, krzemu, żelaza, glinu i wapnia – pierwiastków, które przeważają w strukturach wielu pospolitych skał i stanowią duży procent masy przypominających Ziemię planet. Jednak w niewyobrażalnie wysokoenergetycznym środowisku wybuchających gwiazd pierwiastki ulegały fuzji w nowy, egzotyczny sposób i utworzyły cały układ okresowy pierwiastków, obejmujący ich znacznie więcej niż dwadzieścia sześć. W ten sposób pojawiły się pierwsze ślady rzadszych pierwiastków: cenne srebro i złoto, użyteczne miedź i cynk, toksyczne arsen i rtęć, radioaktywne uran i pluton. Co więcej, te wyrzucone w przestrzeń kosmiczną pierwiastki mogły się wzajemnie odnajdywać i łączyć w nowy, ciekawy sposób za pomocą reakcji chemicznych.
Chemia pojawia się wtedy, kiedy jeden atom uderza w inny. Każdy atom ma malutkie, lecz masywne wewnętrzne jądro z dodatnim ładunkiem elektrycznym, otoczone jak chmurą przez jeden lub więcej elektronów obdarzonych ładunkiem ujemnym. Izolowane jądra atomowe prawie nigdy nie wchodzą w interakcję, z wyjątkiem przypominającego szybkowar środowiska wnętrza gwiazd. Jednak elektrony jednego atomu stale zderzają się z elektronami sąsiednich atomów. Reakcja chemiczna występuje wtedy, kiedy spotykają się dwa atomy lub więcej, a ich elektrony wchodzą w interakcję i przegrupowują się. Następuje wymiana elektronów, ponieważ tylko pewne ich konfiguracje są szczególnie trwałe, a mianowicie dwóch, dziesięciu lub osiemnastu.
Pierwsza reakcja chemiczna po Wielkim Wybuchu utworzyła cząsteczki, małe skupiska kilku trwale połączonych atomów. Zanim jeszcze nastąpiła fuzja atomów wodoru w gwiazdach i powstał hel, molekuły wodoru (H2), każda z dwoma atomami trwale połączonymi wiązaniami chemicznymi, utworzyły się w próżni głębokiej przestrzeni kosmicznej. Każdy atom wodoru ma tylko jeden elektron, co we Wszechświecie stanowi raczej wyjątek, a dwa elektrony to liczba magiczna. Kiedy więc spotykają się dwa atomy wodoru, łączą swoje zasoby, by utworzyć cząsteczkę z magiczną liczbą dwóch elektronów.
Zważywszy na obfitość wodoru po Wielkim Wybuchu, cząsteczki wodoru niewątpliwie zaistniały wcześniej niż pierwsze gwiazdy i są stałą cechą naszego kosmosu od czasu pojawienia się atomów. Po pierwszym wybuchu supernowej, kiedy przestrzeń kosmiczną zapełniły inne pierwiastki, mogło się utworzyć mnóstwo interesujących cząsteczek. Na przykład woda (H2O) z dwoma atomami wodoru związanymi z atomem tlenu. Możliwe, że azot cząsteczkowy (N2), amoniak (NH3), metan (CH4), tlenek węgla (CO) i dwutlenek węgla (CO2) również wzbogaciły przestrzeń dokoła supernowych. Wszystkie te molekuły miały odegrać kluczową rolę przy powstawaniu planet i początków życia.
Potem przyszedł czas na minerały, doskonałe pod względem chemicznym mikroskopijne ciała stałe o budowie krystalicznej. Pierwsze minerały mogły powstać tylko w sytuacji, kiedy gęstość ich komponentów była wystarczająco wysoka, a temperatury wystarczająco niskie, by atomy mogły uformować się w małe kryształki. Już w kilka milionów lat po Wielkim Wybuchu rozszerzające się i ochładzające otoczki pierwszych eksplodujących gwiazd stworzyły doskonałe środowisko dla takich reakcji. Maleńkie kryształki czystego węgla, diament i grafit, były prawdopodobnie pierwszymi minerałami we Wszechświecie. Te pierwsze kryształy przypominały drobny pył, pojedyncze ziarenka były niedostrzegalnie małe, mogły być jednak na tyle duże, by dodać trochę diamentowego blasku przestrzeni kosmicznej. Do tych krystalicznych postaci węgla wkrótce dołączyły inne ciała stałe, powstające w wysokiej temperaturze z takich pierwiastków jak magnez, wapń, krzem, azot i tlen. Niektóre z nich to często spotykane minerały z grupy tlenków glinu, takie jak korund, który jest wysoko ceniony ze względu na swoje kolory, szczególnie w odmianie zwanej rubinem lub szafirem. W przestrzeni kosmicznej pojawiły się także śladowe ilości krzemianu magnezu, tworząc minerały z grupy oliwinów. Wspominając oliwin, dodajmy, że może on występować także w odmianie jako kamień półszlachetny zwany chryzolitem. Można też wspomnieć o węgliku krzemu, bardzo rzadko występującym w naturze jako moissanit, a nader często sprzedawanym w postaci taniego syntetycznego substytutu diamentów zwanego karborundem.
W międzyplanetarnym pyle było prawdopodobnie wiele pospolitych minerałów pierwotnych. Tak więc wraz z eksplozją pierwszych gwiazd Wszechświat stawał się coraz bardziej interesujący.