Tak wyglądają narodziny złota. Astronomowie odkryli źródło najrzadszych pierwiastków

To przełomowe odkrycie nie tylko tłumaczy tajemniczy sygnał sprzed 20 lat, który przez lata intrygował astrofizyków, ale też może zmienić nasze rozumienie pochodzenia materii, z której zbudowany jest świat wokół nas.

Grudzień 2004 r. Kosmiczny teleskop rejestruje potężny błysk promieniowania gamma — najpotężniejszy zarejestrowany do tej pory. Wiadomo było, że pochodził z magnetara — gwiazdy neutronowej o polu magnetycznym bilion razy silniejszym niż ziemskie. Taki obiekt to ekstremum w każdej skali, jakie znamy.

W zaledwie kilka sekund wyemitował tyle energii, ile nasze Słońce produkuje przez milion lat. Gwiazdy te są zapadniętymi pozostałościami dawnych gigantów gwiezdnych i składają się z tak gęstej zupy neutronów, że pojedyncza łyżka stołowa ważyłaby ponad miliard ton. 

Jednak kilka minut później teleskop zarejestrował coś jeszcze — drugi, znacznie słabszy, ale bardzo zagadkowy sygnał. Ten moment na dwie dekady stał się naukową tajemnicą. Aż do teraz.

Zespół astrofizyków z Flatiron Institute w Nowym Jorku właśnie ogłosił, że ten drugi sygnał to nie błąd pomiaru, ale dowód na to, że w czasie erupcji doszło do czegoś znacznie ważniejszego: powstały wtedy ciężkie pierwiastki, w tym złoto i platyna. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym The Astrophysical Journal Letters.

Więcej na Spider's Web:

Większość pierwiastków, które znamy i kochamy, nie istniała zawsze. Wodór, hel i odrobina litu powstały w Wielkim Wybuchu, ale prawie wszystko inne zostało wytworzone przez gwiazdy podczas ich gwałtownej śmierci. Podczas gdy naukowcy doskonale rozumieją, gdzie i jak powstają lżejsze pierwiastki, miejsca produkcji wielu najcięższych pierwiastków bogatych w neutrony — tych cięższych od żelaza — pozostają niekompletne.

Do tej pory naukowcy byli przekonani, że najcięższe pierwiastki powstają głównie podczas zderzeń gwiazd neutronowych. Takie zdarzenie udało się zarejestrować w 2017 r. i rzeczywiście potwierdziło ono istnienie tzw. procesu szybkiego wychwytu neutronów (r-process), który prowadzi do powstawania złota, uranu czy strontu. Problem w tym, że te zderzenia są rzadkie. Zbyt rzadkie, by wyjaśnić ilość ciężkich pierwiastków obserwowanych we Wszechświecie.

Nowe badania pokazują, że eksplozje magnetarów również mogą być miejscem narodzin tych cennych metali. Co więcej, według wyliczeń, tylko jedna taka eksplozja mogła stworzyć ciężkie pierwiastki o łącznej masie równej jednej trzeciej masy Ziemi. To około 2 miliony bilionów bilionów kilogramów.

To oznacza, że nawet 10 proc. całego galaktycznego zasobu złota i platyny mogło powstać właśnie w takich eksplozjach, a nie tylko w zderzeniach gwiazd neutronowych.

Jak to możliwe, że w ognistym wybuchu powstaje złoto? Kluczowy jest wspomniany już r-process, czyli reakcje jądrowe, które wymagają gigantycznej liczby wolnych neutronów. Takie warunki istnieją tylko w ekstremalnych środowiskach: w zderzeniach gwiazd neutronowych, wybuchach supernowych i — jak się właśnie okazuje — w erupcjach magnetarów.

Podczas takiego rozbłysku z powierzchni magnetara wyrzucana jest materia bogata w neutrony. Tam zachodzi r-process, tworząc niestabilne, ciężkie jądra atomowe, które z czasem rozpadają się do stabilnych form — w tym do znanych nam pierwiastków, takich jak złoto.

Procesowi temu towarzyszy emisja promieniowania gamma. Właśnie taka emisja została zarejestrowana w 2004 r. — i dopiero teraz udało się ją zinterpretować jako ślad po narodzinach złota.

Część metali w twoim komputerze lub telefonie mogła powstać właśnie w takiej eksplozji. Brian Metzger, współautor badania i astrofizyk z Columbia University, nie ma wątpliwości: to dopiero drugi raz w historii, gdy udało się bezpośrednio zobaczyć miejsce powstawania ciężkich pierwiastków. I jest to odkrycie, które może zrewolucjonizować naszą wiedzę o ewolucji materii w galaktykach.

Co ciekawe, takie gigantyczne rozbłyski magnetarów mogą zdarzać się bardzo wcześnie w historii galaktyk. To wyjaśniałoby, dlaczego już w młodych galaktykach widzimy obecność dużych ilości ciężkich pierwiastków — znacznie wcześniej, niż mogłyby one powstać wyłącznie w wyniku zderzeń gwiazd neutronowych.

Na razie wiemy o dwóch potwierdzonych mechanizmach powstawania złota i podobnych pierwiastków: zderzenia gwiazd neutronowych oraz rozbłyski magnetarów. Ale naukowcy są ostrożni — nie wykluczają, że mogą istnieć inne, jeszcze nieodkryte źródła. W końcu Wszechświat nie przestaje nas zaskakiwać.

Odkrycie zespołu z Flatiron Institute nie tylko rzuca światło na tajemniczy sygnał sprzed dwóch dekad, ale też otwiera nowe drzwi do badań nad pochodzeniem pierwiastków, które są fundamentem naszej cywilizacji — od elektroniki po medycynę.

Więc następnym razem, gdy spojrzysz na złotą biżuterię, pamiętaj: być może jej atomy uformowały się w eksplozji gwiazdy, która wydarzyła się miliony lat temu, tysiące lat świetlnych stąd — i była tak potężna, że aż teraz rozumiemy jej znaczenie.