Karolina Głowacka: Chcę zrozumieć, jak działa Wszechświat, a jednocześnie nie umiem myśleć o sobie jako o jego części. Pamiętam, że Ziemia jest w kosmosie, ale wydaje mi się on taki poza nami, obcy, zewnętrzny, za duży.
prof. Jean-Pierre Lasota: Myśl poziomami. Od bardzo małego do bardzo dużego. Wszystko składa się najpierw z cząstek elementarnych, które tworzą większe cząstki, te z kolei tworzą atomy, a z nich zbudowane są struktury materii, z których składasz się i ty, i gromady galaktyk. Jeśli chcesz zrozumieć swoje miejsce we Wszechświecie, odpowiedz sobie na pytanie, skąd się wzięłaś: twoje oczy, włosy, mózg, serce, ręka i noga.
Prof. Jean-Pierre Lasota
Fizyk teoretyk i astrofizyk, profesor honorowy w Instytucie Astrofizyki w Paryżu, profesor wizytujący w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika.
Skąd?
– Większość pierwiastków, z których składa się twoja noga, powstało wiele lat temu w gwiazdach. Azot w naszym DNA, wapń w zębach, żelazo we krwi i węgiel w razowcu – tak wyliczał znakomity popularyzator nauki Carl Sagan – to wszystko pochodzi z gwiezdnej materii. Dla mnie, fizyka, twoja noga składa się z atomów. W atomie mamy jądro złożone z nukleonów, czyli protonów i neutronów, oraz krążące wokół niego elektrony. Taka np. cząsteczka wody, która jest podstawą naszego istnienia, składa się z trzech atomów, dwóch wodoru i jednego tlenu: H2O. Wodór to najprostszy pierwiastek – składa się z jednego protonu i jednego elektronu.
Tlen jest już bardziej złożony, a w twojej nodze są też jeszcze bardziej skomplikowane pierwiastki: żelazo, magnez, potas. We Wszechświecie jest jeszcze kilkadziesiąt cięższych pierwiastków. Najcięższym pierwiastkiem stabilnym, to znaczy nieradioaktywnym, jest ołów, który ma 82 protony i może zawierać do 126 neutronów. Wszystkie cięższe pierwiastki są radioaktywne, co znaczy, że się rozpadają. Tak jak uran, z którego po serii rozpadów robi się w końcu ołów.
Właśnie stosunek ilości uranu 238 do ilości ołowiu służy do wyznaczania wieku Ziemi i Układu Słonecznego. Znając szybkość rozpadu uranu, badając, ile go jest w stosunku do ołowiu, możemy ocenić, od kiedy istnieje w skałach czy meteorytach. Do scharakteryzowania tej szybkości fizycy używają pojęcia „czasu połowicznego rozpadu”, to znaczy czasu, podczas którego rozpada się połowa ilości danego pierwiastka. Ale z tego wynika, że obecny na Ziemi uran istniał przed powstaniem naszej planety. Skąd się tu wziął?
Tak jak wszystko? Z Wielkiego Wybuchu?
– Otóż nie. W wyniku Big Bangu powstały tylko wodór, jego izotop deuter, trochę helu, odrobina litu i berylu. Tylko najlżejsze pierwiastki. Cała reszta nie mogła zostać utworzona, gdyż ekspansja Wszechświata była wtedy jeszcze na tyle szybka, że dużo wolniejsze od niej reakcje jądrowe nie miały czasu na budowę cięższych pierwiastków. Na początku mieliśmy więc Wszechświat, który w prawie trzech czwartych składał się z wodoru, w około jednej czwartej z helu i śladowych ilości pozostałych.
Skąd więc w moim ciele wzięły się węgiel, tlen, potas?
– Z gwiazd.
Przecież one są niewyobrażalnie daleko!
– Najbliższa, czyli Słońce, jest tuż-tuż. Ale atomy twoje i Słońca, pochodzą z gwiazdy, która wybuchła tu niedaleko, ale bardzo, bardzo dawno temu. Słońce, tak jak Ziemia, zawiera już pierwiastki cięższe od helu – np. węgiel, azot czy tlen. Samo ich nie wyprodukowało, były w nim od początku, tak samo jak były na Ziemi. Cały Układ Słoneczny powstał z dysku materii, w którym znajdowały się te wszystkie pierwiastki. Skądś musiały się wziąć. Słońce nie należy do pierwszej generacji gwiazd.
Przed nim rodziły się i, co ważne, umierały inne, masywniejsze gwiazdy. Umierały szybciej, niż umrze Słońce, bo im masywniejsza gwiazda, tym krótszy jej żywot. Pierwsze istniały najpewniej przez kilka milionów lat. To właśnie w tych pierwotnych gwiazdach powstawały cięższe pierwiastki, które podczas – mniej lub bardziej gwałtownej – śmierci gwiazdy zostawały wyrzucane w przestrzeń, zanieczyszczając znajdującą się w niej materię wodorowo-helową. Z obłoków takiej zanieczyszczonej materii powstawały następne pokolenia gwiazd, m.in. Słońce ze swoimi planetami i wreszcie, na jednej z nich, ty.
Jak doszło do powstania pierwszych gwiazd? Dlaczego wszystko nie zostało taką zupą wypełnioną cząstkami?
– Z powodu grawitacji. W dużej – a z naszej perspektywy olbrzymiej – skali Wszechświat nadal jest jednorodny. Podobnie jak właśnie zupa. Ale nawet w takiej zupie powstają jakieś grudki, zaburzenia, które tworzą pierwotne obłoki. W nich tworzą się mniejsze, bardziej zagęszczone obłoki. Niektóre z nich gęstnieją tak bardzo, że stają się niestabilne grawitacyjnie. Grawitacja zaczyna przeważać.
Przeważać nad czym?
– Nad ciśnieniem, czyli siłą odpychającą tworzoną przez ruchy cząsteczek obłoku. W pewnych warunkach grawitacja wygrywa i obłok coraz bardziej zapada się w sobie. Ważne, że pierwsze takie obłoki składały się wyłącznie z wodoru i helu, bo przecież w całym Wszechświecie w zasadzie nie było wtedy nic innego. Masa obłoku, z którego powstanie gwiazda – zwana masą Jeansa, od nazwiska znanego angielskiego astrofizyka – zależy od jego temperatury, a ta z kolei od tego, jak dobrze obłok stygnie.
Otóż obłoki wodorowo-helowe marnie stygną, mówiąc inaczej: mają kłopoty z chłodzeniem. Przy czym chłodzenie, które mam na myśli, to świecenie, emitowanie fotonów. Wodór świeci marnie, nie mówiąc już o helu. Wskutek tego pierwsze gwiazdy były prawdopodobnie bardzo masywne, dużo bardziej niż obecnie obserwowane populacje gwiazd.
Prawdopodobnie?
– Masy tych gwiazd zależały od tego, w jakiej postaci występował w nich wodór. Jeśli w postaci cząsteczkowej, czyli jako dwa połączone atomy wodoru, to chłodził się zupełnie nieźle, a więc pierwsze gwiazdy nie byłyby tak bardzo masywne. Z drugiej strony wodór cząsteczkowy mógłby być zniszczony przez intensywne promieniowanie ultrafioletowe z nowo powstających gwiazd. Z trzeciej strony pierwsze gwiazdy, tak jak i obecne, mogłyby powstawać w gęstych obłokach cząsteczkowych, które osłaniałyby je przed promieniowaniem ultrafioletowym. Ale – z czwartej strony – nie wiemy, czy te obłoki naprawdę chroniły pierwsze gwiazdy przed fotodysocjacją, bo tak to się nazywa, wodoru cząsteczkowego.
Wygląda na to, że niewiele wiecie o tym, co się działo w pierwszych gwiazdach.
– Bo niby skąd mamy wiedzieć? Nie da się ich przecież bezpośrednio obserwować. Istniały tak dawno temu, że nie możemy ich zobaczyć nawet w najdalszych zakątkach dostępnego nam Wszechświata.
Dawno – to znaczy kiedy?
– Zgodnie z obserwacjami satelity Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), pierwsze gwiazdy powstały, gdy Wszechświat miał ok. 550 mln lat. Według tych samych obserwacji wiek Wszechświata wynosi 13 miliardów i 799 milionów lat.
Jak Planck mógł się czegoś dowiedzieć o pierwszych gwiazdach? Powiedziałeś, że nie da się ich obserwować.
– Samych gwiazd nie widać, ale można zobaczyć skutki ich pojawienia się, a konkretnie ślad ich powstania na promieniowaniu tła, które mierzył Planck. Początkowo Wszechświat był gorący do tego stopnia, że elektrony były oddzielone od jąder atomowych – miały za dużo własnej energii, by być z nimi związane. Mówimy, że Wszechświat był całkowicie zjonizowany.
Wtedy gorące promieniowanie było w równowadze z elektronami, to znaczy, że dzięki wzajemnym zderzeniom miały tę samą, wysoką temperaturę. Ale rozszerzając się, Wszechświat stygł, aż w końcu elektrony miały na tyle niską energię, że mogły połączyć się z jądrami, tworząc atomy. Takie tworzenie się atomów nazywamy rekombinacją. W końcu wszystkie elektrony znalazły się związane w atomach i promieniowanie nie miało już się na czym rozpraszać.
Rekombinacja zaszła, gdy Wszechświat miał około 380 tys. lat. Później trwał okres zwany ciemnymi wiekami, aż do momentu, gdy Wszechświat miał już 550 mln lat i nastąpiła rejonizacja (od jonizacji, a nie rejonu) – znowu pojawiło się skądś promieniowanie, które wyrwało elektrony z atomów. Myśli się, że źródłem tego promieniowania były pierwsze gwiazdy, lub raczej pierwsze pokolenia gwiazd. To na razie hipoteza, ale przyszłe teleskopy naziemne lub umieszczone w przestrzeni są, czy będą, budowane m.in. w celu jej sprawdzenia.
Nadal nie wiem, skąd w pierwotnych gwiazdach wzięły się te nowe pierwiastki.
– Pierwiastki cięższe od helu powstały w wyniku reakcji termojądrowych w jądrach gwiazd. Te reakcje polegają na łączeniu się nukleonów, czyli na nukleosyntezie. Można w uproszczeniu powiedzieć, że jest tak gorąco i ciasno, że protony i neutrony po prostu muszą się do siebie poprzyklejać. To skomplikowany proces, ale dla nas ważne w tej chwili jest, że ostatecznie w tym wielkim piecu, w jądrze pierwotnych gwiazd z wodoru powstał hel-4 z dwoma protonami i dwoma neutronami w jądrze. To był pierwszy krok w historii do utworzenia cięższych pierwiastków.
Od takiego helu nadal jednak jest daleko do, dajmy na to, węgla, na którym opiera się życie na Ziemi.
– To prawda, ale jesteśmy na dobrej drodze. Tak oto we wnętrzu gwiazdy, gdzie większość stanowił wodór, mamy teraz hel, jądro gwiezdne składające się z helu. I to mógłby być koniec, ale na szczęście nie był. Przyczyną dalszych zmian była paląca się na powierzchni jądra warstwa wodorowa. Ponieważ wodór w tej warstwie przekształca się w hel, masa jądra rosła, rosła też temperatura, aż w końcu zapalił się sam hel. W efekcie utworzył się następny pierwiastek – węgiel. I to jest ten podstawowy mechanizm, który powoduje tworzenie się cięższych pierwiastków.
Zadziałał w gwiazdach pierwotnych i działa w gwiazdach współczesnych. Tylko pamiętaj, że we współczesnych gwiazdach mamy już domieszki cięższych pierwiastków. Najpewniej dopiero gwiazdy od drugiego pokolenia mogły wytworzyć wszystkie pierwiastki do żelaza, bo do wytworzenia niektórych z nich są potrzebne inne niż dostępne na początku wodór i hel. Współcześnie to, czy po węglu powstają kolejne pierwiastki, zależy od masy gwiazdy: im masywniejsza, tym cięższe może wytworzyć pierwiastki. W wyniku kolejnych reakcji powstają tlen, neon, magnez, siarka, i w końcu krzem, z którego robi się żelazo. A żelazo jest jednym z najmocniej związanych jąder i już się nie może palić.
I taka gwiazda wybucha?
– Musi. Jeśli jest na tyle masywna, że wytwarza żelazne jądro, po prostu musi. A to dlatego, że żelazo się nie pali, ale ciągle go przybywa, bo pali się wokół niego krzem. Masa żelaza rośnie, a tu brakuje źródła energii, które mogłoby podtrzymywać ciśnienie przeciwstawiające się rosnącej grawitacji. Wszystko wtedy odbywa się nieprawdopodobnie szybko.
W masywnej gwieździe wodór palił się powiedzmy 10 mln lat. Potem hel spalił się w ciągu miliona lat, węgiel tysiąca. A potem to już jest z górki: neon w rok, a ostatni w kolejce krzem spala się w jeden dzień! Pozostają tylko palące się warstwy, a w środku gorąca żelazna kula o temperaturze rzędu miliardów stopni. I ta kula nie daje rady przeciwstawić się swojemu ciążeniu i w ciągu jednej sekundy zapada się. Kosmiczna katastrofa!
Brzmi dramatycznie.
– Bo to jest dramatyczne! Gwiazda tworzyła się długo, powoli, a zapada się w mgnieniu oka. Wydobywa się olbrzymia ilość energii grawitacyjnej. Następuje potężny wybuch. Otoczka jądra zostaje wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną. Gwiazda umiera, zamieniając się w gwiazdę neutronową.
Rozumiem, dlaczego gwiazda się zapada, ale nie rozumiem, skąd ten wielki wybuch.
– W zasadzie z odbicia. Ta żelazna kula wielkości Ziemi, którą jest jądro gwiazdy, nie zapada się równomiernie. Najszybciej zapada się jej część środkowa o masie 70 proc. masy Słońca i w ciągu ułamka sekundy osiąga gęstość jądra atomowego. Wtedy odpychające siły jądrowe zatrzymują spadek, tworząc twardą kulę, od której odbija się pozostała, zewnętrzna część żelaznego jądra. Ponieważ ich spadek jest naddźwiękowy, przy odbiciu tworzy się fala uderzeniowa, która powoduje wyrzucenie otoczki, czyli wybuch supernowej.
Dziś wiemy, że po wybuchach kolejnych pokoleń supernowych wytworzyła się wystarczająca ilość atomów rozmaitych pierwiastków, by mogły tworzyć się planety. Wokół miliardów gwiazd powstawały układy planetarne i powstała przynajmniej jedna planeta, na której jest życie – Ziemia. W tej Ziemi – przynajmniej tu Biblia ma rację, nazywając pierwszego człowieka Adamem, „człowiekiem z ziemi” – były już pierwiastki, z których się składamy. Oto jesteśmy.
To fascynująca historia, ale nie wyjaśnia, skąd się wzięły jeszcze cięższe pierwiastki. Żelazo nie jest nawet w połowie układu okresowego!
– Na ten temat toczy się dyskusja. Wiadomo, że muszą się tworzyć przez szybki wychwyt neutronów, w tak zwanych procesach „r”, z angielskiego rapid, czyli „szybki”. Kiedyś uważano, że tworzą się podczas samego wybuchu supernowych, ale wyniki takiego modelu nie zgadzały się z obserwacjami. Po wybuchu supernowej pozostaje gwiazda neutronowa, czyli po prostu gwiazda składająca się z neutronów.
Mówiąc mniej elegancko, to trup masywnej gwiazdy, chociaż trup bardzo interesujący. Hipoteza mówi, że pierwiastki cięższe niż żelazo powstają w wyniku połączenia dwóch gwiazd neutronowych krążących wokół siebie. Kiedy na siebie spadają i zlewają się – następuje kolejny wielki wybuch, którego wynikiem jest błysk gamma. Wtedy właśnie miałyby się tworzyć w procesach „r” pozostałe pierwiastki.
Czyli składam się z cząstek, które są stare jak Wszechświat cały…
– Jakżeby inaczej? Skoro Wszechświat, to także ty. I masz już odpowiedź na swoją wątpliwość, od której zaczęliśmy. Kosmos nie jest zewnętrzny, obcy. Pochodzisz z niego, jesteście jednym. I tak w sensie podstawowym jesteś stara jak Wszechświat.
Postaram się o tym myśleć jak o komplemencie.
Dla głodnych wiedzy
Prezentowany tekst jest zaadaptowanym fragmentem książki „Czy Wielki Wybuch był głośny? 11 rozmów o historii i życiu codziennym Wszechświata“, której autorami są Karolina Głowacka i prof. Jean-Pierre Lasota. Książka ukaże się 27 kwietnia nakładem Wydawnictwa Prószyński i S-ka. Więcej informacji: www.proszynski.pl oraz www.czywielkiwybuchbylglosny.pl