Žmonės seniai stengėsi išsiaiškinti, iš kur atsirado tokie sunkūs elementai kaip auksas. O kai išsiaiškinome kad jie – neutroninių žvaigždžių susidūrimo rezultatas, supratome, kad jie gali suteikti daugiau žinių ir apie pirmąsias Visatos žvaigždes

Visi žino, kad senovės alchemikai buvo apsėsti idėjos gauti auksą iš pigesnių metalų. Kaip ir tai, kad jiems taip ir nepavyko. Bet štai ką žino ne visi: net ir po tūkstančių metų vis dar galutinai nesuprantame, iš kur atsiranda auksas. Kad jo yra Žemėje – akivaizdu, bet jo pirmo pasirodymo Visatoje vieta ilgai buvo kosminio masto paslaptis.

Daugelio pažįstamų elementų – anglies, deguonies, azoto – kilmė aiški. Šie atomai buvo iškepti žvaigždžių branduoliuose pagal termobranduolinės sintezės receptus. Bet standartinė sintezė tegali sukurti santykinai lengvus elementus – sunkesnius sukurti reikia galingesnių procesų, reikia galingesnių procesų. Tik bėda, kad tiksliai nežinome, kaip ir kur tai vyksta. Tas pats pasakytina ne tik apie auksą, bet ir apie sunkesniu, egzotiškesnius elementus. Galima sakyti, kad pusės periodinės elementų lentelės elementų kilmė nežinoma.

Galimų paaiškinimų netrūksta, ir visi jie susiję su audringomis žvaigždžių agonijomis ar kitais žvaigždiniais sprogimais. Pagaliau dabar turime tvirtus susidarančių sunkiųjų elementų susidarymo įrodymus. O įsigilinus, paaiškėjo, kad jų kilmė tikriausiai daug subtilesnė, nei manėme.

Iš cheminių elementų sudaryta viskas, ką matome – taip pat ir mes patys. Suaugusiame žmoguje, be visų kitų, ne mažiau reikalingų, dalykų yra apie 16 kilogramų anglies, 780 gramų fosforo ir 0,2 miligramai aukso. Žvelgiant iš esmės, visi elementai sudaryti iš tų pačių trijų dalelių. Branduolyje tūnančių protonų ir neutronų, bei apie juos besisukančių daug mažesnių neigiamą krūvį pernešančių elektronų. Protonų skaičius branduolyje lemia, koks tai elementas: šeši protonai yra anglies branduolyje; daug sunkesnio aukso branduolyje jų glaudžiasi net 79. Neutronų įprastai būna maždaug tiek pat, kiek protonų, tačiau šis skaičius, kartu su branduolio mase, gali šiek tiek variuoti – tai yra lengvesnės arba sunkesnės to paties elemento versijos – izotopai.

Žvaigždžių gyvenimas prasideda nuo didelės masės lengviausio elemento, vandenilio, sudaryto iš protono ir elektrono (žr. „Pirmieji elementai“). Netrukus įsižiebia termobranduolinės sintezės procesas ir vandenilio branduoliai susijungia, virsdami helio branduoliais, kuriuose jau du protonai. Toks procesas vyksta, kurdamas vis sunkesnius elementus.

Bet tik iki tam tikros ribos. Atomų branduoliams didėjant, stiprėja ir juos vieną nuo kito stumianti elektromagnetinė jėga, ir galiausiai jie nebepajėgia prisiartinti tiek, kad galėtų susijungti į sunkesnius elementus. Žvaigždėse praktiškai niekuomet nesusidaro branduoliai, kuriuose daugiau nei 26 protonai – geležis.

O tai iš kur atsiranda sunkesni elementai? Šeštajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje fizikai, tarp kurių buvo ir Fredas Hoyle'as suprato, kad yra ir termobranduolinės sintezės alternatyva. Čia neapsieinama be neutronų, elektrinio krūvio neturinčių, tad ir elektromagnetinės sąveikos nejaučiančių, dalelių. Pagavęs skriejantį neutroną, atomas tampa sunkesniu to paties elemento izotopu. Atsidūręs branduolyje, neutronas gali beta skilimu suirti į protoną ir elektroną. Taip atomas tampa elementu, kuris vienu protonu sunkesnis.

Hoyle'as parodė, kad tai gali įvykti dviem būdais. Pirmasis – lėtųjų neutronų pagavimo procesas – s-procesas. Jam tereikia švelnaus neutrono prisilietimo. Hoyle'as manė, kad tai gali vykti mirštančiose žvaigždėse – raudonosiose milžinėse, tačiau dabar tuo šiek tiek abejojama. Raudonųjų milžinių spektroskopija rodo, kad šiose žvaigždėse sunkiųjų elementų iš tiesų yra, bet visų sunkesnių elementų taip sukurti neįmanoma. Ir šiaip, tokio sunkiųjų elementų kūrimo spartą galima būtų palyginti su ledynų slinkimu: branduolys, kuriame gali vykti s-procesas, neutroną pagauna maždaug per mėnesį. Visiems visatos sunkiesiems elementams paaiškinti to negana.

Antrasis Hoyle'o mechanizmas vadinamas sparčiuoju neutronų sugavimo procesu – r-procesu. Jam vykstant, atomai užliejami neutronais ir greitai išauga didžiuliai. Tada radioaktyviai skildami, suyra į lengvesnius, nors vis viena sunkius, elementus. Manoma, taip sukuriama didžioji dalis Visatos sunkiųjų elementų, tarp kurių ir auksas.

Bet iš kur galėtų rastis pakankamai didelė neutronų banga? Astrofizikai ilgai manė, kad atsakymas galėtų būti kataklizminiai gyvenimą pabaigusių žvaigždžių sprogimai – supernovos. Bet per pastaruosius 20 metų aptikta tokią prielaidą paneigiančių ženklų. Tarkime, supernovų sprogimų simuliacijomis gauti elementų kiekio rezultatai skyrėsi nuo empirinių, gautų spektroskopiniais tikrų sprogimų stebėjimais.

Yra ir labiau stebinantis įrodymas. Žemė kartais perskrieja supernovų sprogimų paliktus dulkių debesis; dulkės patenka į atmosferą ir nusėda vandenynų dugne ir Antarktidos ledynuose. Šių dulkių kilmę nustatyti nėra sunku, nes jose yra būdingo geležies izotopo, kuris susidaro supernovoje. O aukso tose dulkėse nėra – tai kad įtikimai rodo, kad supernovos šio brangioj metalo nekuria.

Tačiau net kai tokių įrodymų nebuvo, dar 1974 m., Davidas Schrammas ir Jamesas Lattimeris iš Teksaso universiteto Austine iškėlė mintį, kad auksas galėtų rastis per kitokį kosminį susidūrimą. Jei sunkiems elementams susidaryti reikia daug neutronų, tai gal jų kilmė susijusi su neutroninėmis žvaigždėmis? Jos yra neįtikėtinai tankūs materijos – kaip rodo pavadinimas, daugiausiai neutronų – kamuoliai, likę po tam tikro tipo supernovų. Neutroninės žvaigždės dažnai skrieja poromis, sukdamosis viena apie kitą, o galiausiai susiduria, sukeldamos sprogimą – kilonovą. Jos metu kilusio neutronų potvynio turėtų pakakti r-procesui, manė Schrammas ir Lattimeras.

Šio amžiaus pradžioje Brianas Metzgeris, dabar dirbantis Flatiron institute Niujorke, užsidegė aukso atsiradimo kilonovose idėja. Bet ją dar reikėjo patikrinti tvirtais duomenimis. „Ką galėtume imti ir išmatuoti teleskopu?“ – sako jis.

Kilonovoje vykstant r-procesui, susidaro neįtikėtinai galinga radioaktyvių skilimų kaskada, ir Metzgeris sumojo, kad dėl to į kosmosą turėtų pasklisti būdingas šviesos blyksnis. 2010, jis numatė šviesos iš elementus kuriančio neutroninių žvaigždžių susidūrimo intensyvumą. Kolegos iš Kalifornijos universiteto Berklyje, dar išsiaiškino, kad blyksnis turėtų prasidėti nuo mėlynos spalvos, kuriantis lengvesniems elementams, o paskui, susidarant sunkesniems elementams, tarp kurių ir auksas – slinkti į raudoną. Vadinamoji spalvos kreivė būtų įtikimas įrodymas.

Tačiau jo paieškos pasirodė esanti švelniai tariant nelengva užduotis. Kartkartėmis išvysdavome danguje panašius blyksnius, bet jie dažniausiai būdavo pernelyg toli, kad galėtume bent kiek tiksliau išmatuoti jų šviesos kreivę. Tai, pavyzdžiui, nutiko 2013 m., kuomet Hubble kosminis teleskopas užfiksavo, kaip manyta, kilonovos sukeltą gama spindulių blyksnį. Tai buvo perspektyvi blyksnio pabaigos atkarpa, tačiau per blanki, kad būtų galima tinkamai palyginti su Metzgerio prognozėmis.

Gaudimas ir čirškimas

Tuo tarpu kiti mokslininkai rengė mašinas, galinčias stebėti Visatą visiškai kitaip. Gravitacinių bangų lazerinės interferometrijos observatorijoje (Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) esančiais jutikliais galima išmatuoti gravitacines bangas – galingų kosminių susidūrimų sukeltus erdvėlaikio virpesius. 2017 metais, LIGO užfiksavo aiškų dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimą liudijantį signalą: artėjant vienai apie kitą besisukančioms žvaigždėms, buvo kylančio dažnio „gaudesys“, pasibaigęs „čirptelėjimu, kai žvaigždės susidūrė.

To Metzgeris ir laukė. Gravitacinės bangos Žemę pasiekė anksčiau, nei sprogimo šviesa, ir fizikai galėjo į šaltinį nukreipti optinius teleskopus ir pasirengti tikrinti iš mėlynos į raudoną pereinantį Metzgerio prognozuotą signalą. Gati duomenys atrodė tokie, kokių ir tikėtasi. Kilonova išspjovė egzotiškų elementų bangą. „Taip pirmą kartą žmonijos istorijoje tiesiogiai išvydome tų sunkiųjų elementų susidarymą,“ sako Metzgeris.

Bet ar per šį sprogimą susidaro auksas? Nepaneigiamiausias įrodymas būtų elemento spektroskopinis atspaudas kilonovos šviesoje. Deja įvairių elementų spektrogramos užkloja viena kitą ir jų atskirti neįmanoma. Tačiau Metzgeriui tai atrodo kaip kabliukų ieškojimas. „Kuriant vieną sunkųjį elementą, reikėtų labai pasistengti, tuo pačiu nesukurti ir viso jų spektro,“ pastebi jis.

Daugelis fizikų dabar sutaria, kad auksas susidaro kilonovose. Bet tai dar ne istorijos pabaiga. Panašu, kad vien šiais įvykiais visų sunkiųjų elementų atsiradimo paaiškinti nepavyksta.

Tai tapo akivaizdu, tiriant kai kurias Paukščių Tako galaktiką gaubiančio halo žvaigždes. Manoma, kad jos itin senos, iš eros, kai dar praktiškai jos nemirė, nei kaip supernovos, kilonovos ar dar kaip nors. Jose neturėtų būti jokių r-proceso būdu susidarančių elementų; jei šiuos elementus kuria kilonovos, o prieš šiai žvaigždei susidarant kilonovų nebuvo, logiška manyti. jų būti neturėtų. Tačiau nedidelė astronomų grupė, vadinamasis R-Proceso aljansas, kuris šias žvaigždes stebėjo nuo 2018 metų, parodė, kad kai kuriose iš jų r-proceso elementų yra daug.

„Pirmą kartą istorijoje tiesiogiai išvydome sunkiųjų elementų sintezę”

Tai gali reikšti, kad vyksta kažkas labai keisto, pastebi aljanso dalyvė Terese Hansen iš Teksaso A&M universiteto. Jei žvaigždės iš tiesų tokios senos, kaip manome ir sunkiųjų metalų susidarymo teorija teisinga, tuomet šiuos elementus turėjo sukurti kažkas kitas, ne kilonova.

Turit tai mintyse, negalima pamiršti, kad pirmųjų žvaigždžių susidarymo metu visata buvo visiškai kitokia, nei dabar. Žvaigždės augo daug kartų didesnė, nei dabar i sukosi daug greičiau. Užbaigusios gyvenimus, jos nebūtinai sprogo kaip tipiškos supernovos. Kai kurios galėjo kolapsuoti nuo savo pačių kolosalaus svorio, išleisdamos neįtikėtinai galingus radiacijos blyksnius. Tokių kolapsarų idėją 1993 metais iškėlė Stanas Woosley iš Kalifornijos universiteto, Santa Cruze. „Kolapsarai sukuria epinių mastų smūgines bangas,“ sako astrofizikė Emma Chapman iš ICL. „Šioje bangoje sunkesni už geležį elementai formuojasi, nes medžiaga suspaudžiama nepalyginamai labiau, nei gyvenimą baigusios žvaigždės branduolyje.“

Gal tuomet auksas radosi, mirštant pirmosioms visatos žvaigždėms. Šią idėją remia Danielio Siegelo iš Guelph universiteto Kanadoje tyrimas. Jis, remdamasis 2017 kilonovos duomenimis ir teoriniu darbu apie kolapsarus, teigia, kad pastarieji ir yra dominuojantis r-proceso elementų šaltinis. Bet Imre Bartos iš Floridos universiteto ir Szabolcs Márka iš Kolumbijos universiteto Niujorke, suskaičiavo, kad kolapsarai tikriausiai negalėjo sukurti daugiau, nei ~20% r-proceso elementų.

Dabar apie aukso prigimtį žinome daug daugiau. Dalis šio geidžiamo metalo buvo sukurta kilonovose ir dalis – mirštant pirmosioms žvaigždėms. Bet netgi šie du šaltiniai negali paaiškinti viso visatos aukso. Tokios mintys galėtų kilti, išvydus ką nors dėvint auksinę juvelyriką. Vis dar nežinome, iš kur jis atsirado.

Pirmieji elementai

Kai kas sako, kad esame sudaryti iš žvaigždžių dulkių – ir tai didžiąja dalimi tiesa, nes didžiuma mūsų kūnus sudarančių elementų, tokių, kaip anglis, azotas, buvo sukurti žvaigždėse. Bet iš ko buvo sudarytos pačios pirmosios žvaigždės? Pasirodo, visas visatos vandenilis ir didžioji dalis helio buvo sukurti per pirmąsias 20 minučių po didžiojo sprogimo, kol užteko materijos karščio ir tankio palaikyti sintezę. Pirmosios žvaigždės buvo vien iš šių dviejų elementų, ir dar truputėlio ličio [₃Li].

Trūkstamas litis

Remiantis geriausiu turimu didžiojo sprogimo supratimu, kartu su vandeniliu ir heliu turėjo susidaryti tam tikras kiekis ličio. Iš to galime suskaičiuoti, kiek šių elementų turėtų būti kosmose. Vandenilio ir helio prognozės empirinius stebėjimus atitinka gerai, o štai dviejų trečdalių ličio trūkumas neramina – niekas negali užtikrintai kosmologinės ličio problemos paaiškinti. Kas dar keičiau, kai kuriuose žvaigždžių tipuose ličio nepaaiškinami daug. Viena idėja – gal jis randasi iš tam tikro tipo kosminių sprogimų – novų, kurių nederėtų painioti su supernovomis. Novos gali įvykti, kai apie baltąją nykštukę skrieja daug didesnė žvaigždė. Iš šios žvaigždės dujos krenta į baltąją nykštukę, sukeldamos daug ličio galintį sukurti sprogimą.

Lyja boru

Ketvirtas ir penktas elementas, berilis [₄Be] ir boras [₅B], irgi nebuvo sukurti žvaigždėse. Šie lengvieji elementai žvaigždžių branduoliuose vykstančiose reakcijose sunaudojami sparčiau, nei susidaro. Bet jų abiejų Žemėje pilna – iš kur? Pasirodo, kad ultragreiti protonai iš kosmoso susiduria su Žemės atmosferos azotu ir deguonimi, suskaldydami juos į berilį ir borą. Tuomet šie elementai ištirpsta vandenyje ir su lietumi patenka ant žemės.

Komentarai (5)