Gwiazdy z początków czasu musiały być zdolne do tworzenia pierwiastków znacznie cięższych niż cokolwiek, co kiedykolwiek znaleziono naturalnie na Ziemi, czy w ogóle we wszechświecie. W jaki sposób miałyby wytwarzać takie egzotyczne pierwiastki i skąd to wiemy?
Superciężkie pierwiastki jakich nie widział świat powstające w gwiazdach? Takie wnioski wysnuli astronomowie pod przewodnictwem Iana Roederera z Uniwersytetu Michigan po przeanalizowaniu 42 gwiazd w Drodze Mlecznej, których skład chemiczny może być wytłumaczony jedynie faktem, że budujące je pierwiastki powstały z innych o masach atomowych większych niż 260. Tutaj przypomnienie, że największym i posiadającym największą masę atomową poznanym przez nas pierwiastkiem jest Oganeson o masie atomowej aż 294u, ale został on sztucznie wytworzony poprzez bombardowanie innymi ciężkimi pierwiastkami, a jego “życie” jest bardzo krótkie i wynosi zaledwie 1 tysięczną sekundy. Po upływie tego czasu pierwiastek rozpada się na lżejsze. Wychodzi więc na to, że pierwotne gwiazdy musiały wybuchając produkować pierwiastki tak masywne jak Lorens, Dubn czy Bohr.
Ale w jaki właściwie sposób powstały pierwiastki, które budują wszystko co znamy? Większość pierwiastków we wszechświecie – prawie wszystko cięższe niż wodór i hel – zostało stworzone przez gwiazdy. Pierwszym sposobem ich tworzenia jest fuzja. W jądrze gwiazdy znajduje się swego rodzaju silnik, który łączy ze sobą atomy, tworząc cięższe pierwiastki.
Najcięższym, jaki ten proces może wytworzyć, jest żelazo. Fuzja żelaza w cięższe pierwiastki wymaga o wiele więcej energii niż generuje, więc w tym momencie gwiazda doprowadziłaby do samounicestwienia. Dlatego też jądra gwiazd wypełniające się żelazem powodują śmierć takiej gwiazdy. Brakuje energii która rozpycha gwiazdę od środka i kompensuje olbrzymią siłę grawitacji, starającą się gwiazdę zmiażdżyć.
Innym sposobem jest właśnie to samounicestwienie. W eksplozjach supernowych, kiedy gwiazda umiera, oraz w eksplozjach kilonowych, gdy zderzają się ze sobą dwie gwiazdy neutronowe, warunki stają się idealne dla szybkiego procesu przechwycenia neutronów, czyli tak zwanego procesu r.
Autorzy: NASA, ESA, CSA, D. Milisavljevic (Purdue), T. Temim (Princeton), I. De Looze (Uniwersytet w Gandawie). Przetwarzanie obrazu: J. DePasquale (STScI).
Jest to moment, gdy wokół jest tak wiele luźnych neutronów, że dołączają się one do dostępnych jąder, tworząc cięższy pierwiastek. Potrzebne jest do tego naprawdę ekstremalne, energetyczne środowisko, jak np. właśnie wspomniana wcześniej supernowa. Proces ten potwierdzono jako źródło pierwiastków takich jak złoto, platyna, tor i uran. Jednak nadal niewiele wiemy o tym, jak konkretnie tworzone są pierwiastki. Mamy ogólne pojęcie, jak działa proces r, ale warunki tego procesu są dość ekstremalne.
Badacze nie wiedzieli dokładnie w ilu różnych miejscach we wszechświecie może powstawać proces r, nie wiedzieli też w jaki sposób proces się kończy i nie byli w stanie ustalić ile neutronów mogło przyłączyć się do lżejszych pierwiastków i w konsekwencji jak masywne pierwiastki mogły w tym procesie powstawać. Więc postanowili przyjrzeć się pierwiastkom, które mogą powstać przez rozszczepienie masywnych pierwiastków w kilku dobrze zbadanych starych gwiazdach, aby zobaczyć, czy zdołają odpowiedzieć na niektóre z tych pytań.
Jeszcze innym sposobem, w jaki wiemy, że mogą powstawać pierwiastki, jest rozszczepienie jądrowe. Dzieje się to, gdy atom zamiast łączyć się, rozpada się, a wynikiem jest mniej masywny pierwiastek.
Najnowsze filmy
Skład chemiczny 42 gwiazd w Drodze Mlecznej, które Roederer i jego zespół badali, został dobrze zbadany i ustalony. Pierwsze gwiazdy we wszechświecie były przeważnie zbudowane z wodoru. Tworzyły pierwiastki w swoich jądrach i umierały, zasiewając przestrzeń kosmiczną pierwiastkami, które były wchłaniane przez kolejne pokolenia gwiazd.
Gwiazdy, które badał zespół, są znane z posiadania pierwiastków wytworzonych przez proces r podczas eksplozji supernowych. Ale badacze tym razem nie szukali pierwiastków uczestniczących w procesie r. Szukali tych, które mogą być własnie produktami rozszczepienia, takich jak ruten, rod, pallad i srebro. I zamiast patrzeć na gwiazdy indywidualnie, jak to zwykle bywa, naukowcy badali je jako grupę.
I znaleźli wzorzec.
Obecność niektórych innych pierwiastków jest oczekiwana w określonych proporcjach, jeśli metale, na które patrzył zespół, zostały wytworzone przez proces r. Tych proporcji nie było. Sugeruje to, jak doszli do wniosku, że badane pierwiastki zostały wytworzone przez rozszczepienie. Oznacza to, że wczesne gwiazdy, od których pochodziły te metale, musiały wytworzyć pierwiastki znacznie cięższe, większe niż masa atomowa 260, które następnie rozpadły się na lżejsze, bardziej stabilne pierwiastki.
Nigdy nie zaobserwowano tych pierwiastków naturalnie występujących nigdzie. Widzieliśmy je w laboratorium, ale ich okresy półtrwania są tak krótkie, że rozpadają się niemal natychmiast. Jednak badania pokazują, że szukanie ich potencjalnych produktów rozszczepienia może nam powiedzieć, jak prawdopodobne lub powszechne może być ich tworzenie, w różnych miejscach we wszechświecie.
Roederer zauważył, że Liczba 260 jest interesująca, ponieważ wcześniej nie wykryliśmy niczego tak ciężkiego występującego naturalnie ani w kosmosie ani na Ziemi, nawet w testach broni jądrowej. Cytując klasyka, naukowcy z Instytutów badań jądrowych już przebierają nogami.
W ogóle sam proces powstawania pierwiastków jest bardzo ciekawy. Zobaczmy jakie procesy są w stanie układać podstawowe cegiełki w coraz bardziej złożone atomy.
W masywnych gwiazdach, proces syntezy jądrowej efektywnie tworzy pierwiastki od helu do żelaza. Proces ten staje się jednak energetycznie nieefektywny przy próbie fuzji pierwistków cięższych niż żelazo, które posiada 26 protonów. Mimo że gwiazdy są w stanie wytworzyć lżejsze pierwiastki, to nie są one wystarczająco masywne, aby syntezować cięższe pierwiastki, takie jak złoto czy platyna. Dlatego naukowcy szukają innych kosmicznych zdarzeń, które mogłyby to umożliwić, takich jak supernowe czy zderzenia gwiazd neutronowych.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Zderzenia gwiazd neutronowych są uważane za „mistrzów” w produkcji ciężkich pierwiastków. Gdy dwie gwiazdy neutronowe, które są zwartymi i bardzo gęstymi obiektami, zderzają się, tworzą ekstremalne warunki, które umożliwiają powstawanie ciężkich pierwiastków. Badania wykazały, że zderzenia takie mogą produkować ogromne ilości metali, w tym złota, co zostało potwierdzone w obserwacjach fal grawitacyjnych przez LIGO i Virgo w 2017 roku. Odkryto wtedy, że ilość złota wytworzonego w jednym z takich zderzeń mogła równać się kilkukrotności masy Ziemi. Jubilerzy przebierają nogami. To zderzenie, wykryte 130 milionów lat świetlnych od Ziemi, dostarczyło dowodów na to, że zderzenia gwiazd neutronowych mogą być głównym źródłem ciężkich pierwiastków we wszechświecie.
W 2017 roku LIGO i Virgo po raz pierwszy zarejestrowały zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, dostarczając bezpośrednich dowodów na to, że takie zdarzenia mogą być kluczowym źródłem ciężkich metali. Obserwacja ta dostarczyła cennych informacji na temat procesów zachodzących podczas i po zderzeniu, w tym o powstawaniu ciężkich pierwiastków. Ten epokowy moment stał się kamieniem milowym w astronomii i astrofizyce, otwierając nowe możliwości badań nad pochodzeniem i dystrybucją ciężkich pierwiastków we wszechświecie.
Również czarne dziury są wskazywane jako potencjalne źródła tworzenia nowych pierwiastków. W teorii, podczas zderzenia gwiazdy neutronowej z czarną dziurą, pod pewnymi warunkami, gwiazda neutronowa mogłaby zostać rozdarta, co teoretycznie mogłoby prowadzić do powstawania ciężkich pierwiastków. Jednakże, do tej pory nie zaobserwowano takich zdarzeń, które by potwierdziły tę teorię. Będzie to istotny obszar badań w przyszłości, zwłaszcza w kontekście obserwacji fal grawitacyjnych, które mogą dostarczyć więcej informacji na ten temat.
Problem z superciężkimi pierwiastkami jest taki, że mało jest we wszechświecie procesów tak energetycznych, aby mogły zlepiać ze sobą skutecznie protony i neutrony, tworząc takie monstra w kategorii masy atomowej. Kolejną trudnością jest fakt krótkiego istnienia tych superciężkich pierwiastków, przez co trudno je badać i właściwie nie wiemy jakie mają właściwości i jak mogłyby się zachowywać. Po prostu im masywniejszy pierwiastek, tym bardziej niestabilny.
Koncepcja „wysp stabilności” dotyczy teoretycznej grupy superciężkich pierwiastków, które mogą wykazywać nieoczekiwaną stabilność. Superciężkie pierwiastki to te, które mają liczbę atomową znacznie większą niż najcięższe pierwiastki naturalnie występujące w przyrodzie. Są one przedmiotem badań w dziedzinie fizyki jądrowej, gdzie naukowcy starają się je syntetyzować w laboratorium poprzez zderzanie lżejszych jąder atomowych. Jednym z przykładów takich pierwiastków jest oganeson (Og), który ma liczbę atomową 118 i został odkryty w eksperymentach zderzeniowych.
Teoretyczna „wyspa stabilności” sugeruje, że istnieją nieodkryte jeszcze superciężkie pierwiastki, które mogą posiadać względnie długie okresy połowicznego rozpadu. Jest to spowodowane szczególnymi konfiguracjami protonów i neutronów w jądrach atomowych, które mogą prowadzić do większej stabilności niż w przypadku innych ciężkich pierwiastków. Badania w tej dziedzinie nie tylko rozszerzają granice układu okresowego, ale także oferują nowe spojrzenie na strukturę atomową i jądrową.
Superciężkie pierwiastki, choć niezwykle trudne do uzyskania i utrzymania ze względu na ich skłonność do szybkiego rozpadu, mogą dostarczyć cennych informacji o naturze materii i zasadach rządzących jądrami atomowymi. W związku z tym badania teoretyczne i eksperymentalne w tej dziedzinie są istotne dla zrozumienia podstawowych praw fizyki.
A jak konkretnie powstają w laboratoriach takie molochy jak Oganeson?
Znany również jako pierwiastek 118, jest superciężkim pierwiastkiem otrzymywanym sztucznie w laboratorium. Proces jego otrzymywania polega na zderzeniach atomowych.
Aby wytworzyć oganeson, naukowcy stosują specjalne akceleratory cząstek, które przyspieszają jądra atomowe do bardzo wysokich prędkości. Następnie te przyspieszone jądra są kierowane na cel zawierający inny element. W przypadku oganesonu, używa się zwykle jądra wapnia (liczba atomowa 20) i bombarduje się nim cele z kalifornu (liczba atomowa 98) lub innych ciężkich pierwiastków. Wapń jest względnie lekkim pierwiastkiem więc potrzeba dużo mniejszej energii aby rozpędzić go do wysokich prędkości.
Gdy jądra wapnia zderzają się z jądrami celu, mogą łączyć się, tworząc nowe, cięższe jądro atomowe. Proces ten jest jednak bardzo mało efektywny. W większości przypadków zderzenia nie prowadzą do syntezy nowego pierwiastka, a jedynie do odrzutu jąder lub ich rozpadu. W przypadku oganesonu, po udanym zderzeniu i zsyntetyzowaniu nowego jądra, pierwiastek ten bardzo szybko się rozpada, emitując promieniowanie alfa. Oganeson jest niezwykle nietrwały, a jego czas połowicznego rozpadu mierzy się w milisekundach.
Ze względu na tę krótką żywotność, oganeson nie ma praktycznych zastosowań poza badaniami naukowymi. Jego synteza i badania pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć naturę jąder atomowych, zwłaszcza w zakresie superciężkich pierwiastków, oraz zasad, które rządzą ich stabilnością.
