Login |  Nova registracija
|

Kozmički sastojci: Kako svemir kuje elemente Prirodne znanosti

Dvije neutronske zvijezde sudaraju se negdje u dubini svemira u konceptu ovog umjetnika. Osim generiranja gravitacijskih valova, takav događaj može proizvesti mnoge teške elemente, uključujući zlato. Izvor: University of Warwick/Mark Garlick

Na slici: Dvije neutronske zvijezde sudaraju se negdje u dubini svemira u konceptu ovog umjetnika. Osim generiranja gravitacijskih valova, takav događaj može proizvesti mnoge teške elemente, uključujući zlato. Izvor: University of Warwick/Mark Garlick

Carl Sagan je jednom slavno rekao: "Mi smo napravljeni od zvjezdanih stvari." Mislio je na podrijetlo mnogih elemenata - poput kalcija u našim kostima i željeza u našoj krvi - koji se kovaju u posljednjim udisajima zvijezda koje umiru.

Ali iako je istina da smo zvjezdane stvari, to je samo pola priče.

Neki od elemenata koje poznajemo, poput ugljika i kisika, nastaju u zvijezdama, ali drugi - uključujući sav vodik, većinu helija i malo litija - iskovani su prije gotovo 14 milijardi godina kroz proces koji se naziva nukleosinteza Velikog praska. Sve dok su se prve zvijezde formirale nekih 100 milijuna godina nakon Velikog praska, svemir je počeo diverzificirati svoj portfelj elemenata. A naše razumijevanje kako to točno radi tek se dovršava.

Kozmička alkemija

Ideja da se manji, lakši komadi materije mogu kovati u teže potječe barem od starih Grka. Ali tek 1920-ih znanstvenici su stvarno počeli shvaćati specifičnosti.

U to su vrijeme znanstvenici pokušavali otkriti što pokreće Sunce. Astronom Arthur Eddington prvi je iznio teoriju da se atomi vodika - najlakši element - mogu stisnuti zajedno pod ogromnom temperaturom i pritiskom u helij - drugi najlakši element. Ovaj proces, poznat kao nuklearna fuzija, oslobađa kolosalne količine energije.

Tijekom sljedećih desetljeća znanstvenici su potvrdili mehanizam, razrađujući mnoge detalje. A do sredine 20. stoljeća, astronomi su dobro znali kako zvijezde čine elemente lakšim od željeza.

Zaključili su da tijekom prvih godina svog života zvijezde neprestano pretvore vodik u helij unutar svojih jezgri. A ako je zvijezda veća od otprilike polovice mase Sunca, nakon što joj ponestane vodika u svojoj jezgri, počinje se urušavati pod vlastitom neospornom gravitacijom. To stvara dodatni pritisak u jezgri zvijezde, što izaziva izgaranje helija i u konačnici može proizvesti nusproizvode poput ugljika i kisika. Zvijezde veće od dvostruke mase Sunca koje također imaju ugljik i kisik od svojih prethodnika mogu proizvoditi i dušik.

Zvijezde do otprilike osam puta veće od Sunčeve mase na kraju dosegnu fazu svog života poznatu kao asimptotska divovska grana. Ovdje njihove jezgre postaju neaktivne, a izgaranje helija i vodika migrira u vanjske slojeve zvijezda. U ovoj fazi, zvijezde započinju spor proces hvatanja neutrona. Također poznat kao s-proces, to se događa u ljuskama koje sagorevaju helij oko zvjezdanih jezgri, što stvara teže elemente poput stroncija, olova i drugih.

Na kraju se ove zvijezde relativno male mase kolabiraju u guste objekte poznate kao bijeli patuljci. I dok to rade, mogu izbacivati nadzvučne vjetrove, ispuštajući ljuske plina koje stvaraju prekrasne - iako kratkotrajne - planetarne maglice. To oslobađa elementarne kreacije zvijezda u međuzvjezdani prostor, gdje će se dio obogaćenog materijala reciklirati u nove zvijezde i planetarne sustave.

Eksplozivno podrijetlo

Vodik i helij su se pojavili nakon Velikog praska, formirajući zvijezde. Teži elementi - do željeza - nastali su u supernovama. Ali astronomi sada znaju da se tvari koje su teže od željeza stvaraju spajanjem neutronskih zvijezda. Izvor: Jennifer Johnson/ SDSS/ CC BY 2.0 (izmijenjeno)/ Uz dopuštenje: CalTech
Na slici: Vodik i helij su se pojavili nakon Velikog praska, formirajući zvijezde. Teži elementi - do željeza - nastali su u supernovama. Ali astronomi sada znaju da se tvari koje su teže od željeza stvaraju spajanjem neutronskih zvijezda. Izvor: Jennifer Johnson/ SDSS/ CC BY 2.0 (izmijenjeno)/ Uz dopuštenje: CalTech

Međutim, kada masivnija zvijezda (veća od oko osam solarnih masa) dosegne kraj svog života, može eksplodirati kao supernova s kolapsom jezgre. Takve supernove mogu iza sebe ostaviti neutronske zvijezde koje proizvode vjetrove vrlo bogate neutronima.

U tim vjetrovima dodatni elementi nastaju kroz brzi proces hvatanja neutrona ili r-proces. Kada jezgre postojećih atoma zarobe dodatne slobodne neutrone, rezultirajući proizvod može biti radioaktivan - što znači da će se raspasti u drugu verziju sebe ili potpuno novi element - ili može ostati stabilan.

R-proces je vrlo sličan s-procesu, osim što je mnogo brži. S-proces može potrajati desetljećima ili stoljećima za hvatanje uzastopnih neutrona, a cjelokupna elementarna transformacija traje nekoliko desetaka tisuća godina. Međutim, supernova može proizvesti otprilike milijardu milijardi milijardi neutrona po kubnom centimetru, tako da je r-proces gotovo trenutan - barem u astronomskim terminima. Na primjer, kroz r-proces, atom željeza može se transformirati u uran za manje od jedne sekunde.

Astronomi su također nedavno potvrdili još jedno sumnjivo mjesto r-procesa: spajanje neutronskih zvijezda.

Uočeni su potpisi elemenata koji nastaju samo r-procesom koji dolaze s mjesta potvrđenog spajanja neutronskih zvijezda koje su pokupili gravitacijski valovi. Iako su takva spajanja rjeđa od supernova, astronomi sada misle da su spajanja neutronskih zvijezda primarna mjesta većine teških elemenata r-procesa. Uostalom, očekuje se da će samo ovaj promatrani događaj gravitacijskih valova proizvesti zlato u vrijednosti od tri do 13 masa Zemlje.
Sada kada astronomi znaju kako svemir kuje sve (ili barem većinu) svojih elemenata, sljedeći korak je raditi na razumijevanju koliko se točno svakog elementa proizvodi kroz različite procese, kao i gdje se oni obično pojavljuju. Nadograđujući ovo znanje, istraživači se u konačnici nadaju da će im to omogućiti da lako ispitaju složenu povijest bilo koje galaksije jednostavnim promatranjem omjera njenih elemenata.

Za komentiranje trebate biti prijavljeni. Prijavite se ili se registrirajte kao novi član.

Molimo Vas da ne šaljete neprimjerene komentare.

Ovaj tekst još nije komentiran. Budi prvi.