Tag: gwiazdy

Gwiazda Przybylskiego zaskakuje − a artykuł znów boli…

Lucas Bergowsky2 komentarze

Wielu z was zapewne przywitały wczoraj na różnych portalach wyskakujące okienka z dramatycznym apelem do rządu. O ile dobrze zrozumiałem istotę problemu, chodzi o to, iż media chciałyby, aby wyszukiwarki w rodzaju Google podające linki do publikowanych tam artykułów dzieliły się w jakiejś formie gromadzonymi w ten sposób zyskami. Nie wiem, czy zrozumiałem to dobrze, ale właśnie w ten sposób natrafiłem na tekst pt. “Gwiazda Przybylskiego zaskakuje. Ma związek z zaawansowanymi obcymi cywilizacjami?”

Pierwotnie chciałem opublikować jako pierwszy inny tekst, jednak to, co przeczytałem, znów wymaga rozwinięcia i poprawienia oczywistych błędów, które wynikają… nie bardzo rozumiem skąd; chcę głęboko wierzyć, że nie z niechlujstwa, ale z urlopu korektora. No to zaczynajmy, bo temat jest naprawdę ciekawy, a autorka wspomniała w pozytywnym kontekście wielkiego Carla Sagana.

“W ostatnich latach astronomowie zauważyli, że niektóre gwiazdy zachowują się w nietypowy sposób. Jednym z najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie jest gwiazda Przybylskiego, która zaskakuje badaczy swoją unikalną strukturą chemiczną. Według IFLScience, to gwiezdne ciało prezentuje zestaw elementów, których obecność jest trudna do wyjaśnienia znanymi prawami natury.”

Owszem − w miarę rozwoju nauki i technik badawczych zauważono, że istnieją obiekty, które w jakiś sposób wymykają się naszym dotychczasowym teoriom. Jednym z nich jest właśnie wspomniana gwiazda. W tym akapicie właściwie jedyne, co mi przeszkadza, to kalka językowa: lepiej byłoby napisać “pierwiastków” zamiast “elementów” (angielskie elements). Faktycznie: skład chemiczny tej gwiazdy odbiega od spodziewanego, ale co to za gwiazda i co z nią nie tak? Czytamy dalej:

“Odkryta w 1961 r, przez polsko-australijskiego astronoma Antoniego Przybylskiego, gwiazda ta od samego początku wyróżniała się na tle innych. Przede wszystkim, zaskoczyła naukowców nietypowym składem chemicznym swojej atmosfery. Według Jasona Wrighta, profesora z Department of Astronomy and Astrophysics w Eberly College of Science, analiza światła gwiazdy pokazała obecność wielu rzadkich elementów ziemi, takich jak krzem, chrom, stront i europ.”

Początek jak najbardziej się zgadza, aczkolwiek nie ma szans, abyście kiedykolwiek mogli oglądać tę gwiazdę, jeśli nigdy nie przekroczyliście równika lub nie urodziliście się na półkuli południowej. Znajduje się ona w gwiazdozbiorze Centaura, który nie jest widoczny na naszych szerokościach geograficznych. Jak pewnie dobrze wiecie z tekstów na naszym portalu, potrafimy wykrywać obecność pierwiastków chemicznych w świetle emitowanym przez różne obiekty w różnych procesach. Może być to pożar odległego magazynu, a może być to równie dobrze światło emitowane przez gwiazdy. Fotony będące kwantami światła, które widzimy, mogą napotkać na atom danego pierwiastka i zostać pochłonięte przez elektron. Wówczas w spektrum powstanie dziura odpowiadająca długości fali pochłoniętego światła. Ponieważ jesteśmy na poziomie mechaniki kwantowej, to te długości są ściśle określone i związane z energią danego fotonu. Logicznym wnioskiem jest więc to, że jeśli przepuścimy światło przez gaz składający się z różnych pierwiastków, to będziemy w stanie na podstawie pochłoniętego przez nie światła stwierdzić ich obecność. Ponieważ robiliśmy to wielokrotnie wcześniej, to wiemy czego szukać. Nic dziwnego, że robimy to ze światłem emitowanym przez gwiazdy.

Podobnie postąpił w 1961 r. A. Przybylski z odkrytą przez siebie gwiazdą i bardzo się zdziwił, gdyż to, co widział, wyraźnie nie pasowało do tego, co obserwował do tej pory. Gwiazda nosząca numer katalogowy HD 101065 nie różni się w szczególny sposób od innych w swojej klasie, jeśli chodzi o masę czy prędkość rotacji. To, co ją wyróżnia, to widmo emitowanego światła. Przybylskiego zdumiała wspominana “obecność wielu rzadkich elementów ziemi”. Prawdę mówiąc, to nie aż tak jego to zdumiało, jak mnie zabolało.

Pierwszy raz muszę się naprawdę przyczepić: albo piszemy po polsku, albo po angielsku. “Rare earth elements” to po polsku “metale ziem rzadkich”. Jest to grupa, do której zaliczamy skand, itr i wszystkie lantanowce. A więc na europ się zgadzam, ale krzem i chrom? Domyślam się, skąd ten błąd: metale ziem rzadkich po raz pierwszy odkryto w minerałach zawierających wspomniane pierwiastki, ale podkreślam raz jeszcze: stront, chrom i krzem nie zaliczają się do tej rodziny, choć Przybylski faktycznie je w spektrum światła emitowanego przez tę gwiazdę wypatrzył. Dojrzał tam również wiele innych pierwiastków z rodziny metali ziem rzadkich, jak np. neodym, ale też wiele innych, takich jak tor, a nawet uran. I to jest dziwne. No ale czytajmy dalej:

“Co więcej, gwiazda Przybylskiego zawiera także elementy, takie jak kaliforniam, aktyna, berkelium, czy protastyna, które teoretycznie nie powinny się tam znaleźć ze względu na krótki okres półtrwania. Jest to jednak trudne do potwierdzenia, ponieważ nie występują w naturze.”

I tu mnie zaczęło boleć: te pierwiastki nie noszą takich nazw w żadnym ze znanych mi języków (poza berkelium które kojarzę z łaciny). Przybylski był bardzo zdziwiony samą obecnością toru czy uranu, a co dopiero pierwiastków, których jądra nie dość, że są cięższe, to istnieją w czasie liczonym w tygodniach i miesiącach. Po kolei: nie wiem, skąd Autorka wzięła te nazwy, ale podejrzewam, że chodzi o kaliforn, aktyn, berkel i protaktyn. Ich obecność w składzie gwiazdy jest niespodziewana. Gwiazdy czerpią energię z procesu znanego jako fuzja termonuklearna, w którym lżejsze jądra łączą się pod wpływem ekstremalnej temperatury i ciśnienia w cięższe, emitując przy tym energię. Proces ten nie może działać w nieskończoność. Jakiekolwiek próby łączenia jąder cięższych niż jądra żelaza wymagają dostarczenia energii z zewnątrz zamiast jej emitowania. Obecność pierwiastków cięższych niż żelazo w składach gwiazd da się wyjaśnić składem obłoków materii, z których powstają, i innymi procesami. Jednak obecność zauważalnych ilości pierwiastków, których czas półrozpadu mieści się w skali tysięcy lat, budzi poważne wątpliwości.

Nie znajdujemy ich na naszej planecie, gdyż jeśli jakiekolwiek ich jądra znalazły się tutaj w czasie jej formowania, to do naszych czasów zdążyły się całkowicie rozpaść do postaci stabilnych jąder innych pierwiastków. Jeśli nie znajdujemy ich tutaj, to nie powinno być ich też tam. Prawa fizyki są wszędzie takie same. Tymczasem, jeśli wierzyć obserwacjom, pierwiastki te tam są, a przynajmniej były jeszcze 356 lat temu, gdyż tyle lat świetlnych wynosi odległość pomiędzy nami. W tekście pt. Końca nie widać… wspomniałem o tym, że potrafimy sztucznie produkować znacznie cięższe jądra w warunkach ziemskich. Jeśli my potrafimy, to dlaczego nie gwiazda, która ma możliwość wytworzenia warunków znacznie bardziej ekstremalnych? Być może w jej wnętrzu zachodzi jakiś nieznany nam proces, który powoduje ich ciągłe powstawanie? Czytajmy dalej:

“Naukowcy snują różne teorie próbujące wyjaśnić, skąd w gwieździe mogły się wziąć te nietypowe elementy. Jedna z hipotez sugeruje, że może to być efekt oddziaływania z pobliską gwiazdą neutronową. Inna, opisana w artykule z 2017 r. na arXiv, sugeruje, że obserwowane elementy mogą być produktem rozpadu nieodkrytych ciężkich elementów z hipotetycznej “wyspy stabilności”. Ta druga hipoteza otwiera fascynujące perspektywy na przyszłe badania, które mogłyby odkryć nowe aspekty dotyczące materii i ewolucji wszechświata.”

O tak, w snuciu teorii ludzie nauki są mistrzami; w końcu zżera nas ciekawość związana z tym, jak działa Wszechświat. Szkoda, że dziennikarze nie dbają o to, aby choćby cytować je w miarę dokładnie. O co chodzi z oddziaływaniem z pobliską gwiazdą neutronową? Obfitość pierwiastków cięższych od żelaza we Wszechświecie jest większa niż spodziewana, gdyby przyjąć, że jedynym procesem, w którym powstają, są końcowe sekundy życia gwiazd i związane z tym różne typy supernowych. Gwiazd nie wybuchło do tej pory tyle, aby wyjaśnić obserwowaną ilość złota, uranu, tytanu itp. Rozwiązaniem tej zagadki wydają się zderzenia gwiazd neutronowych. W ich trakcie powstają jądra bogate w neutrony, które podczas serii szybkich rozpadów beta minus powodują powstanie cięższych pierwiastków. Pobliskie zdarzenie tego typu mogło wzbogacić gwiazdę Przybylskiego we wspomniane jądra, a nawet w znacznie cięższe z “wyspy stabilności”, o której również pisałem w cytowanym tekście. Istnieje hipotetyczna możliwości, iż pierwiastki z ósmego okresu (jeśli kiedykolwiek zostaną wytworzone) o odpowiednich tzw. “magicznych” liczbach protonów i neutronów będą charakteryzować się podwyższonym czasem życia rzędu nawet miesięcy (przewidywanym standardem dla tak ciężkich jąder są mikrosekundy). Istnieją też inne hipotezy:

“Zdaniem niektórych naukowców, w tym Carla Sagana, obecność tych nietypowych elementów mogłaby nawet świadczyć o działalności zaawansowanych cywilizacji pozaziemskich. Teoria ta zakłada, że inteligentne życie mogłoby celowo dodawać do gwiazd wyraźnie sztuczne elementy, aby przyciągnąć uwagę innych cywilizacji.

Choć hipoteza ingerencji obcych cywilizacji jest ekscytująca, większość badaczy przychyla się do bardziej naturalnych wyjaśnień. Niezależnie od ostatecznych odpowiedzi, tajemnica gwiazdy Przybylskiego pozostaje niezwykłym przypomnieniem o złożoności kosmosu, którego nieustannie uczymy się rozumieć. Potrzebne są kolejne badania, aby wyjaśnić te kosmiczne zagadki, ale jedno jest pewne – kosmos nie przestaje nas zadziwiać.”

No i mamy kosmitów! Nie żebym miał cokolwiek przeciwko takim hipotezom, zwłaszcza że Carl Sagan był naukowcem, dzięki któremu mały Lucas spojrzał na nocne niebo i poczuł nie strach przed głębią, ale chęć jej zrozumienia. Bez wątpienia pomysł, aby dodać do swojej gwiazdy dużą ilość superciężkich pierwiastków, by pełniła rolę charakterystycznej latarni, nie jest głupi. Podobne rzeczy robimy od lat, stosując charakterystyczne sygnały mające zwrócić uwagę odbiorcy. Gałęzie ułożone w kształt “SOS” widziane z powietrza od razu wskazują nam, że musiał je zostawić ktoś, komu koncepcja pisma i alfabetu Morse’a nie jest obca. Podobnym sygnałem byłaby dla istot obserwujących gwiazdy obecność w ich widmach pierwiastków, których gwiazda tego typu absolutnie nie mogłaby wytworzyć w procesie nieniszczącym wszystkiego w kręgu kilkunastu lat świetlnych. Nie jestem pewien, czy taki sposób zaznaczania swojej obecności byłby najlepszy dla cywilizacji zdolnej produkować ogromne ilości superciężkich pierwiastków, które następnie umieszcza w gwieździe tylko po to, aby zakomunikować swoje istnienie (przy założeniu, że patrzący są wystarczająco inteligentni i akurat będą patrzeć w tę stronę kosmosu). Są o wiele lepsze metody, jak na przykład opisana w powieści wspominanego Sagana pt. “Kontakt” transmisja konkretnych sygnałów radiowych budzących zainteresowanie.

Wracając jednak do samej Gwiazdy Przybylskiego i obcych cywilizacji: wyjaśnienie może się okazać, jak wspomniała Autorka, całkowicie naturalne. Obecność jąder cięższych niż uran w widmie nie jest pewna; z pewnością w widmie występują ślady technetu i prometu. Najtrwalszy z izotopów technetu ma czas półrozpadu rzędu milionów lat a prometu ok. 17 lat, więc z pewnością w samej gwieździe zachodzą procesy, które powodują ich stałe powstawanie. Jednak obecność kalifornu i innych znacznie cięższych pierwiastków jest wątpliwa. Dalsze obserwacje dostarczyły kolejnych danych, które wskazują na silne namagnetyzowanie samej gwiazdy, co w połączeniu z jej niską rotacją może zaburzać obserwowane widmo. Jak do tej pory żaden z zespołów badawczych nie potwierdził wniosków Przybylskiego co do zawartości superciężkich pierwiastków, choć wszyscy zauważyli, że widmo gwiazdy jest nietypowe. To wymaga jak zwykle dalszych badań i obserwacji.

Pytaniem, z którym chciałbym was zostawić, jest to, jaka jest jakość tekstów pozornie popularnonaukowych, których autorzy nie troszczą się nawet o poprawne tłumaczenie pomimo publikacji na “Poważnych Portalach”…

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Zimna fuzja – czyli porozmawiajmy o sci-fi

Lucas BergowskyLeave a comment

Skąd moje wątpliwości? Skoro zostałem poproszony o rozwinięcie myśli zawartej w cytowanym komentarzu, to skorzystam z możliwości publikacji na łamach naszego portalu − tu mam po prostu więcej znaków za darmo. Autor cytowanego komentarza omyłkowo nazwał trwające od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku badania nad fuzją jądrową badaniami nad “zimną fuzją”. Projekty takie jak np. ITER starają się opanować w warunkach ziemskich fuzję termojądrową. Jak do tej pory próby te spełzły na niczym i nie sądzę, aby udało się szybko osiągnąć jakiś znaczący przełom niezależnie od zainwestowanych środków, bo to po prostu karkołomne zadanie.

Fuzja termojądrowa to fuzja “gorąca” − bardzo gorąca, bo mowa o materii rozgrzanej do milionów kelwinów, którą trzeba kontrolować za pomocą np. pola magnetycznego. Tylko w takich warunkach jądra atomowe mogą się skleić, tworząc inne. Wiemy to z obserwacji − także naocznych. Słońce “świeci”, a energia do tego procesu musi skądś się brać. Jedynym źródłem jest sama materia, z której jest ono zbudowane. Wiemy również że proces ten jest inny niż proces spalania węgla. Z doświadczeń w warunkach ziemskich wiemy też, że gdy porównać masę np. dwóch protonów i dwóch neutronów z masą jądra 4He (składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów), to okaże się, że choć położyliśmy po obu stronach wagi takie same nukleony, to jądro helu jest lżejsze. Oznacza to, że łączenie lekkich jąder w cięższe powoduje, iż otrzymujemy energię, którą można wykorzystać.

Tylko jak przekonać jądra np. wodoru, aby zachciały połączyć się w jądro helu? Przenoszą ten sam ładunek elektryczny, czyli gdy zbliżać je do siebie, to będą się odpychać − co ustalił niejaki Coulomb, stawiając barierę związaną z oddziaływaniem elektrostatycznym. Pokonanie tej bariery jest możliwe, o czym świadczy istnienie np. tlenu, żelaza czy uranu. Jądra tych pierwiastków zawierają wiele protonów o dodatnim ładunku elektrycznym, które powinny się odpychać, a jednak istnieje tajemnicza siła, która je spaja. Jest silniejsza od elektromagnetyzmu, więc nazwano ją oddziaływaniem silnym. Jest ono krótkozasięgowe: obszar, na którym przeważa nad elektromagnetyzmem to dystans około 10-15 m (biliardowe części metra) i taki jest mniej więcej rozmiar protonu, będącego jądrem powszechnie występującego protu, tj. jednego z izotopów wodoru. Tego akurat mamy we Wszechświecie mnóstwo, więc opanowanie procesu, który pozwoliłby zamienić go w hel i uzyskać energię, to gra warta świeczki.

W gwiazdach, posiadających masy nieporównywalnie większe niż masa naszej planety, sprawiają to grawitacja i temperatura. Ogromna temperatura oznacza po prostu, że cząstki bardzo energicznie drgają, a to z kolei oznacza wysoką energię kinetyczną, zdolną do pokonania bariery związanej z ładunkiem elektrycznym i umożliwiającą zbliżenie się cząstek na tyle, by oddziaływanie silne mogło złączyć je w większe jądro. Jak wysoka temperatura pozwoli nam na fuzję? Około 15 milionów kelwinów. Dla porównania, mój termometr na zewnątrz pokazuje wartość 291,15 K. Wszystkie nasze dotychczasowe próby z fuzją polegały na rozgrzaniu materii w ten czy inny sposób i utrzymaniu jej razem na tyle długo, by proces ten mógł zajść tak, jak zachodzi w gwiazdach. I jak do tej pory jedyne sukcesy można porównać do rozpalenia zapałki przy pomocy lasera: da się, ale to niepraktyczne. Opanowanie fuzji na gorąco wymaga jeszcze wielu lat badań i rozwiązania wielu problemów związanych z radioaktywnymi odpadami czy promieniowaniem gamma, które powstają w takim procesie w obfitości.

A co z “zimną fuzją”? Tak nazywa się każdy proces, który mógłby doprowadzić do powstania nowego jądra atomowego z połączenia dwóch lżejszych w warunkach mniej ekstremalnych niż te panujące we wnętrzach gwiazd. Biorąc pod uwagę powszechność występowania paliwa, które można wykorzystać do fuzji jądrowej, to mielibyśmy spokój z energią właściwie do końca istnienia Układu Słonecznego! Jeśli do tego czasu nie wymyślimy czegoś innego, to i tak nie będzie to miało żadnego znaczenia dla naszego gatunku. Czy to jednak możliwe w jakikolwiek sposób? Czy bez olbrzymiej temperatury i grawitacji da się jakoś przekonać cząstki o tożsamym ładunku elektrycznym do zbliżenia się do siebie na tyle, by siły jądrowe mogły zadziałać?

Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory mają sposób! Oprócz projektu znanego jako National Ignition Facility, który bada fuzję na gorąco, bada się tam również zjawisko tzw. “eksplozji Coulombowskiej”. Jeśli zgromadzić jądra deuteru w jednym miejscu, a następnie je zjonizować, to zaczną się odpychać − tym silniej, z im większą liczbą sąsiadów muszą się odpychać. Daje to mnóstwo energii potencjalnej, którą można zamienić w kinetyczną. Proces ten polega na rozprężeniu deuteru w komorze próżniowej w niskiej temperaturze. Powstała mgła jest jonizowania impulsami lasera. Całkowita jonizacja atomów deuteru powoduje, że zaczynają się one odpychać tak silnie, iż mogą przekroczyć barierę elektrostatyczną. Przy czym ten proces, jak wykazały wielokrotnie powtarzane eksperymenty, jest możliwy wyłącznie w skali mikro. To nie jest droga do zbudowania reaktora, który umożliwi nam pozyskiwanie energii z procesu fuzji w sposób ciągły i użyteczny.

Czy więc istnieją jakieś sposoby, aby doprowadzić do fuzji w inny sposób, niż nadając cząstkom temperatury rzędu milionów kelwinów lub rozpędzając je w akceleratorach takich jak LHC? Skoro rozmawiamy o cząstkach posiadających ładunki elektryczne, to może wykorzystać jakoś silne pole magnetyczne, którym zepchniemy jądra deuteru na tyle blisko, aby zaszła fuzja? Tak, to możliwe, z tym że potrzebne by było pole o natężeniu ok. 1011 T, czyli mniej więcej takie, jakie panuje we wnętrzach gwiazd neutronowych − wystarczające do zabicia każdego żywego organizmu. Nie chcemy tego robić.

No, ale może da się jakoś inaczej? Przecież można rozpędzić jony w polu elektromagnetycznym i ostrzelać nimi inne, znajdujące się względem nich w spoczynku? Taką możliwość dają kryształy piroelektryczne, tj. takie, które wytwarzają pole elektryczne w wyniku podgrzewania. Taki eksperyment wykonano w 2005 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim, gdzie podgrzewano kryształ z jednej strony. Powodowało to powstanie pomiędzy jego końcami pola elektrycznego, które przyśpieszało jony natężeniem rzędu 25 GV/m! Zmierzona energia jonów dochodziła do 100 keV, co odpowiada temperaturze ok. 1 GK a więc znacznie przewyższającej potrzebną do zajścia fuzji. To faktycznie działa; problemem jest tylko, tak jak w poprzednim przypadku, skala: nie da się wykorzystać tego zjawiska do budowy reaktora, bo nie istnieją odpowiednio duże kryształy ani nie da się ich wytworzyć w żaden sposób. Zresztą nawet gdyby się dało, to w większej skali sama temperatura cząstek zniszczyłaby taki kryształ, a jednorazowa elektrownia nam do niczego niepotrzebna. W małej skali to świetne źródło neutronów i nic poza tym.

No to może jeszcze inaczej? Weźmy taką cząsteczkę wody: H2O czyli H+ i OH–. Można rozbić ją na dwa jony − da się tak zrobić przy pomocy elektrolizy, podczas której przepływ prądu sprawi, że jony naładowane dodatnio będą zbierać się na katodzie, a ujemnie na anodzie. A jeśli zbierze się dostateczną ilość odpowiednich jonów? Tak właśnie pomyśleli panowie Pons i Fleischmann gdy w 1989 prowadzili elektrolizę ciężkiej wody − tj. wody zawierającej w cząsteczce jądra deuteru zamiast protu − przy użyciu porowatej katody wykonanej z palladu. Dodatkowe ciepło wytwarzane w tym procesie oraz produkty reakcji wskazywały na fuzję. Podobne wyniki szybko osiągnięto w kolejnych laboratoriach − ot, naukowcy tak bardzo chcieli, żeby to była prawda, że ulegli efektowi potwierdzenia (o którym więcej możecie przeczytać tutaj Efekt potwierdzenia, czyli złoty interes Martina Frobishera) i widzieli coś, czego tak naprawdę nie było. Kolejne dokładne testy i eksperymenty zaprzeczyły, aby w takich warunkach mogło dochodzić do fuzji, choć nie wykluczono, że panowie wpadli na trop jakiego nowego zjawiska fizycznego.

Wiadomo też o niejakim A. Rossim, który w 2011 uzyskał patent na urządzenia nazwane “katalizatorem energii”. Ma ono rzekomo prowadzić do fuzji atomów niklu i wodoru, powodując powstanie miedzi. Komora reaktora ma zawierać jakieś bliżej niesprecyzowane katalizatory i ogrzewać się w wyniku zjawiska oporności elektrycznej. Ponieważ Rossi odmawia poddania urządzenia niezależnym testom, jak również nie opublikował opisu rzekomo zachodzącego zjawiska, to uważam, że można je postawić na tej samej półce, na której trzymamy “perpetuum mobile” i homeopatię. Mamy rok 2024 i żadna wielka korporacja nie zainteresowała się przez tyle lat tak wspaniałym wynalazkiem? Nikt nie chce taniego źródła energii? No, głupi ludzie…

Oczywiście nie można wykluczyć, że fuzja tego rodzaju zachodzi spontanicznie, choć niezwykle wolno − jednak, jak wskazują obliczenia, czas potrzebny na zajście takiego zjawiska (jeśli jest możliwe) przekracza czas życia Wszechświata jakiś miliard razy.

Rozwiązaniem naszych problemów z energią wydają mi się reaktory torowe, o których pisałem więcej w tekście pt. O torze i kserze. Przede wszystkim wiemy, że mogą działać, i taka technologia już istnieje − po prostu musimy ją wdrożyć na szeroką skalę i upewnić się, że nie zachodzi nic nieprzewidzianego. Paliwo do nich jest praktycznie wszędzie, same są w stanie dopalić już istniejące odpady z innych reaktorów, a ich odpadami będą w większości cenne gazy szlachetne lub izotop plutonu mający zastosowanie w bateriach RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator o których więcej w tekście Pluton-238 – na przystanku po drodze w Kosmos). Dodatkowo będą to konstrukcje samoistnie bezpieczne. Bądźmy realistami: fuzja to faktycznie rzecz atrakcyjna, ale czy ekonomiczna i możliwa do wdrożenia w skali stu lat?

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Organiczne odpadki z fabryki gwiazd – część 1

Mirosław Dworniczak2 komentarze

Jeśli wyjdziemy nocą i spojrzymy w niebo, zobaczymy gwiazdy, wiele gwiazd. Są ich miliardy, choć my widzimy tylko skromny ułamek. Trzeba sobie uświadomić, że każda z nich musiała gdzieś i kiedyś powstać. Warto poświęcić temu kilka słów. A więc: gdzie znajdują się fabryki gwiazd i jak działają? Czym są produkty uboczne tworzenia gwiazd i co mają wspólnego z życiem? No i najważniejsze: jak to wszystko się bada?

Obłoki międzygwiazdowe i molekularne

Obłok międzygwiazdowy w mgławicy Carina (Kil). Ciemne obszary to chłodna mieszanina wodoru i pyłu międzygwiezdnego
źródło: NASA, licencja: domena publiczna

Wszędzie w kosmosie znajdziemy obłoki międzygwiazdowe. Są to lokalne zgęszczenia materii, konkretnie gazu i pyłu. Składają się one przede wszystkim z różnych form wodoru: pojedynczych atomów H, zjonizowanych H+ oraz bardzo niewielkiej ilości cząsteczek wodoru H2. Nic w tym dziwnego, ponieważ, jak powszechnie wiadomo, wodór stanowi większość materii tworzącej Wszechświat. Jeśli stworzy się taki obłok, do głosu dochodzi grawitacja – słabe, ale powszechne oddziaływanie między elementami materii. Po milionach lat obłok taki gęstnieje, atomy wodoru łączą się w cząsteczki i powstaje z nich obłok molekularny. Skąd o tym wiemy? Pierwszym, który zaczął o tym rozmyślać, był holenderski astronom (a właściwie wtedy student) Hendrik van de Hulst. Z jego rozważań teoretycznych wynikało, że międzygwiezdny wodór powinien dawać sygnał widmowy o długości 21 cm, czyli mieścić się w zakresie fal radiowych. No ale to tylko teoria. A co z praktyką? W owym czasie radioastronomia była dopiero w powijakach. Ledwo parę lat wcześniej Karl Jansky zbudował antenę zdolną do odbierania sygnałów międzygwiezdnych. Tak naprawdę technika ta została rozwinięta po II wojnie światowej, dając początek wielkim odkryciom. Holendrzy wykorzystali w tym celu zestaw anten wojskowych, które w czasie wojny służyły Niemcom jako anteny radarowe. Dzięki nim w 1951 roku Harold Ewen oraz Edward Purcell zaobserwowali kosmiczny sygnał fali o długości 21 cm. Było to ostateczne potwierdzenie rozważań van de Hulsta.
Wiele radioteleskopów skierowano w niebo, mapując Wszechświat, a konkretnie emisję fal 21 cm. Zaczęła się z nich wyłaniać mapa obłoków molekularnych, czyli de facto skupisk wodoru. I znowu do głosu dochodziła tam grawitacja – im większa masa molekuł, tym mocniej się przyciągają (dzięki, Newtonie!). I znowu mijały miliony lat, a obłoki gęstniały. Gdy skupiska molekuł były już naprawdę duże i gęste, nieuniknione stało się uruchomienie procesów syntezy jądrowej.

Lovell Telescope (Cheshire, Wielka Brytania)
źródło: Wikimedia, licencja: CC SA 4.0

Lepimy gwiazdę

Tak więc na początku mamy wodór, najprostszy pierwiastek. Gdy obłok jest wystarczająco gęsty, zdarza się, że jądra wodoru, czyli protony, zderzają się, w wyniku czego powstaje cięższy izotop wodoru, czyli deuter. Jako produkty uboczne, w tym momencie dla nas nieistotne, mamy pozyton (antyelektron) oraz neutrino. Przy sprzyjających warunkach jądro deuteru może zderzyć się z kolejnym protonem, dając już nowy pierwiastek – hel, a konkretnie izotop hel-3. Z kolei dwa takie jądra po zderzeniu dają typowe, bardzo trwałe jądro helu-4.

Proces nukleosyntezy jąder helu w gwiazdach
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna


Tego typu reakcje są pierwszymi, które zachodzą w obłokach molekularnych. W ich wyniku obłok będzie się składał z mieszaniny wodoru i helu. Cały cykl nosi nazwę cyklu protonowego. Przedstawiłem go tu w uproszczeniu, ponieważ tych cykli jest tak naprawdę trzy.
Ponieważ w każdym z tych cykli wydziela się dość dużo energii, całość podgrzewa się do naprawdę dużych temperatur. Jednocześnie grawitacja powoduje zmniejszanie się objętości tego fragmentu obłoku. W wyniku tych procesów powstaje protogwiazda. Nie emituje ona jeszcze światła, a promieniowanie cieplne, czyli takie, które mieści się w zakresie mikrofal (tak, tych samych, które są w kuchence) i podczerwieni.
Proces przekształcania protogwiazdy w gwiazdę właściwą jest bardzo krótki – trwa zaledwie 0,5 mln lat. OK, dla nas to niewyobrażalnie długo, ale biorąc pod uwagę, że stanowi to 0,1 promila czasu życia gwiazdy, to naprawdę mgnienie oka.

Co zapala gwiazdy?

W protogwieździe mamy już sporo helu (ale i tak większość materii stanowi wodór). Gęstość rośnie (grawitacja), a jeśli rośnie gęstość, to wzrasta też ciśnienie i temperatura. Wtedy we wnętrzu zaczyna zachodzić właściwa reakcja termojądrowa. Mówiąc bardzo skrótowo – rozpoczyna się proces nazwany 3α, w wyniku którego trzy jądra helu łączą się w jądro węgla. Obecnie uważa się, że cały węgiel Wszechświata powstał właśnie w tym procesie. Równocześnie w procesach pobocznych powstają w niewielkich ilościach lit, beryl i tlen, czyli metale. Tu przypomnę, że w kosmologii i astrofizyce metalami nazywamy wszystkie pierwiastki cięższe od helu. Tak, tak – tlen u nich jest też metalem. Streszczając ciąg dalszy – powstają potem inne, cięższe pierwiastki, aż do żelaza.
Energia wydzielana w tych procesach zaczyna być na tyle duża, że gwiazda (już nie proto-), poza mikrofalami i promieniowaniem podczerwonym, zaczyna też emitować światło widzialne. Gwiazda się zapala i proces ten będzie trwał miliardy lat. Aby do tego doszło, protogwiazda musi mieć masę będącą nie mniej niż 1/12 masy naszego Słońca. Przypomnijmy: składa się ona w większości z wodoru, jest tam też nieco helu-3 i helu-4, a także mniejsze ilości innych pierwiastków.

Reasumując: mamy już koktajl pierwiastków. Pora na połączenia między nimi. Ale to już temat na kolejny wpis.