Odkiaľ pochádza zlato?

Výbuchy veľmi hmotných hviezd môžu produkovať zlato a iné vzácne chemické prvky, ktoré pozorujeme vo hviezdach chudobných na kovy v hale našej Galaxie. „A teraz konečne vieme odkiaľ pochádza zlato!“ oznamovali titulky v roku 2017 po detekcii gravitačných vĺn zo zrážky dvoch neutrónových hviezd označenej ako jav GW170817. Ale vieme to určite? Recept na vytvorenie prvkov ťažších než železo znie pomerne jednoducho: bombardujte ľahšie jadro neutrónmi a sledujte ako rastie. Ale je tu jeden háčik: aby vznikli prvky ako sú zlato, platina a urán, jadro musí rásť skutočne rýchlo, inak sa rozpadne na ľahšie prvky predtým než sa stane stabilným. Tento rýchly proces dáva vznik asi polovici všetkých chemických prvkov ťažších než železo. Kozmický pôvod tohto rýchleho procesu (označovaného v astronómii ako r-proces) bol dlho predmetom diskusií.

Náhodný prípad pozorovania splynutí neutrónových hviezd označený GW170817 umožnil veľký krok vpred. Krátko žijúce viditeľné svetlo a infračervené žiarenie sprevádzajúce splynutie neutrónových hviezd prinieslo pozorovateľom známky vzniku prvkov pomocou r-procesu. Zatiaľ čo bol v dátach identifikovaný len jeden prvok, menovite stroncium, vedci aspoň zistili, že samotný tento jav vyprodukoval aj zlato a to pravdepodobne v množstve medzi 3 až 13 hmotnosťami Zeme. Ale zatiaľ čo tu nie je pochybnosť o tom, že neutrónová hviezda produkuje prvky        r-procesom, treba ešte dokázať, aké sú tieto javy dôležité v kontexte veľkej schémy vzniku prvkov. Koniec koncov, aj iné procesy vo vesmíre môžu produkovať tieto prvky. Napríklad „násilná smrť“ hmotných hviezd (t.j. výbuchy supernov) by tu tiež mohla hrať rolu. V nedávnej štúdii, ktorá vyšla v časopise The Astrophysical Journal, tím vedcov ukazuje, že supernovy by sme nemali z tohto procesu vylúčiť. „Existuje však množstvo problémov spojených so splývaním neutrónových hviezd ako zdrojom ťažkých prvkov v ranom vesmíre,“ vysvetľuje Kaley Brauerová (Massachusetts Institute of Technology), ktorá viedla novú štúdiu.

Jedna dlhotrvajúca otázka sa týka hviezd v galaktickom hale chudobných na kovy. Tieto hviezdy sú rozptýlené v okolí špirálového disku našej Galaxie a vznikli v dávnej dobe z takmer pôvodného plynu, ktorý bol len málo ovplyvnený predchádzajúcimi generáciami hviezd. Napriek tomu tieto hviezdy chudobné na kovy obsahujú vo svojich atmosférach relatívne vysoké množstvo prvkov vytvorených v r-procese.  Ako sa tieto prvky dostali do plynu z ktorého potom vznikli tieto hviezdy? Obyčajne trvá miliardy rokov kým v dvojhviezdnom systéme vzniknú dve neutrónové hviezdy, ktoré sa k sebe približujú po špirále až nakoniec splynú. V tomto okamihu splynuvšie hviezdy obohatia okolitý plyn prvkami vzniknutými v r-procese a z neho sa potom zrodí hviezda chudobná na kovy. Kolaps hmotnej hviezdy na konci jej krátkeho života by tiež mohol vytvoriť podmienky vedúce ku vzniku prvkov r-procesom, ale na kratších časových škálach než v prípade splynutia neutrónových hviezd. Teoreticky je to správna myšlienka, ale nebola zatiaľ priamo overená. Brauerová a jej kolegovia sa rozhodli otestovať, či scenár kolabujúcej hviezdy by mohol byť zodpovedný za zastúpenie prvkov z r-procesu, najmä čo sa týka európia, pozorovaného vo hviezdach chudobných na kovy. „Začali sme s jednoduchým predpokladom,“ hovorí Brauerová. „Čo ak by ste povedali, že všetky ťažké prvky vznikli v ranom vesmíre týmto spôsobom?“ Tím skonštruoval jednoduchý počítačový model galaxie reprezentovaný obrovskou guľou plynu, v ktorej kolabuje množstvo hviezd. Každá hviezdna explózia obohacuje plyn kovmi ako je železo a niektoré zo supernov tiež produkujú prvky z r-procesu. Model úspešne reprodukuje relatívne zastúpenie európia a železa vo hviezdach chudobných na kovy. Kľúčová otázka je, koľko supernov musí vybuchnúť, aby sme získali pozorované zastúpenie prvkov vzniknutých v rámci r-procesu. „Vedci prišli k niektorým zaujímavým záverom,“ hovorí Darach Watson (University of Copenhagen). „Objavili frekvencie výbuchov, ktoré sú podobné frekvenciám vzniku tzv. dlhých gama zábleskov.“ Tieto vzplanutia gama žiarenia sú spájané s najextrémnejšími výbuchmi obrích hviezd.

Z výsledku vyplýva, že nie každá supernova by mala produkovať prvky z r-procesu, ale len tie najextrémnejšie. Aj napriek sľubným výsledkom je príliš skoro na definitívne závery. „Vedecký tím sa v tomto modelovaní venoval len jednému chemickému prvku a to európiu, ale bolo by tiež možné použiť napríklad báryum.,“ hovorí Watson. Báryum je vo hviezdach chudobných na kovy relatívne ľahko detegovateľné a môže pomôcť vymedziť tento model. Okrem toho Brauerová už študuje ako celková zmes prvkov v plyne, z ktorého vzniknú hviezdy, ovplyvní výsledky. Watson upozorňuje tiež na iné často prehliadané dôkazy: nanodiamanty. Niektoré z maličkých, submikrónových diamantov nájdených v meteoritoch obsahujú stopy prvkov vzniknutých v r-procese. „Otázka je, odkiaľ sa vzali?“ pýta sa Watson. „Pravdepodobne zo supernovy, ale kto vie?“ Nakoniec vedci budú mať nástroj na vyriešenie celej problematiky vzniku prvkov r-procesom z rôznych uhlov. V súčasnej dobe sa zdá, že k celkovému zastúpeniu zlata a príbuzných chemických prvkov vo vesmíre prispieva viac než jeden kozmický zdroj.

Publikované v časopise QUARK 9/2021, RNDr. Zdeněk Komárek

Ilustrácia nad článkom zobrazuje gama záblesk pochádzajúci z kolapsu hmotnej hviezdy, ktorá môže byť typom hviezdy veľmi pravdepodobne  produkujúcej  prvky z r-procesu, medzi nimi i zlato.