25 października 2023 roku NASA ogłosiła, że odkryto tellur. No dobrze, nie tyle odkryto (bo odkryty został na Ziemi już w XVIII w.), co zidentyfikowano podczas badań kosmicznych. I to odkrycie ma naprawdę duże znaczenie.
Skąd się wzięły pierwiastki chemiczne
Ale zacznijmy od tego, dlaczego ta informacja jest bardzo istotna. Musimy się cofnąć o niemal 14 mld lat, do czasu, w którym dopiero zaczęły powstawać pierwiastki chemiczne. Na samym początku powstało jądro wodoru, najprostszego z pierwiastków, składające się z jednej cząstki, protonu. Kolejnym był hel (2 protony + 2 neutrony). W kolejnym etapie tzw. pierwotnej nukleosyntezy (tworzenia jąder atomowych) powstawały następne jądra – deuteru i litu. Następnie mamy reakcje „spalania” wodoru – oczywiście nie jest to spalanie takie, jakie znamy z reakcji wodoru z tlenem (tlenu przecież jeszcze nie ma!). Powstają wtedy jądra takich pierwiastków, jak węgiel, azot, tlen itd. – aż do żelaza (Fe). I tu kończy się to, co produkują zwykłe gwiazdy. Nie są w stanie wyprodukować żadnego cięższego atomu. No dobrze, ale przecież wiemy, że na Ziemi (i w kosmosie) mamy sporo pierwiastków cięższych niż żelazo. Skąd one się wzięły?
W skrócie: gwiazda, która się wypaliła zaczyna zapadać się grawitacyjnie pod własnym ciężarem. W jej centrum jest sporo żelaza, dalej są lżejsze pierwiastki, takie jak krzem (Si), tlen (O), neon (Ne), aż do wodoru. Ciśnienie wewnątrz rośnie do niewyobrażalnych wartości i w końcu ten kosmiczny tygiel eksploduje. Jest to niesamowite zjawisko, które znamy jako supernową. Obserwujemy gwałtowny wzrost jasności gwiazdy, po czym ona szybko gaśnie – przestaje być widoczna, ale pozostaje po niej efektowna mgławica. Ciśnienie przed eksplozją powoduje wydzielenie się neutronów, które łączą się z jądrami żelaza, dając początek cięższym pierwiastkom. Nazywamy go „procesem r” (rapid – szybki), ponieważ biorą w nim udział szybkie neutrony. Po ich pochłonięciu następuje szereg emisji elektronów, co przesuwa powstające jądro w prawo w układzie okresowym. Kilka zdań o tym procesie napisał Lucas
No i to w zasadzie wszystko – ugotowane w kosmicznym tyglu pierwiastki rozprzestrzeniają się w kosmosie, docierając czasem bardzo daleko. Teoria tych przemian została rozpracowana kilkadziesiąt lat temu przez kilku znaczących astrofizyków. Powtarzam: to była teoria, a, jak wiemy, papier wszystko wytrzyma. A dowody eksperymentalne? No właśnie – z tym był problem. Nie bardzo się da w laboratorium ziemskim stworzyć gwiazdę, spowodować jej przekształcenie w supernową i zrobić analizę tego, co się wydzieli. Do supernowej też nie polecimy, bo jest za daleko. Ale już wiele lat temu panowie Kirchhoff i Bunsen wpadli na pomysł, jak można zdalnie analizować światło emitowane przez obiekty kosmiczne. Pisałem o tym tutaj. Niemieccy fizycy oczywiście obserwowali światło widzialne, ponieważ w owym czasie nie zdawano sobie jeszcze sprawy z tego, że jesteśmy cały czas bombardowani promieniowaniem elektromagnetycznym o znacznie szerszym zakresie fal. Dziś już całkiem dobrze potrafimy je wykrywać i analizować. Od jakiegoś czasu astrofizyka coraz częściej sięga do obserwacji promieniowania gamma. Jest to silne promieniowanie elektromagnetyczne, niosące olbrzymią energię. Astronomowie zajmujący się tym promieniowaniem wyodrębnili osobną dziedzinę nauki, astronomię promieniowania gamma. Niestety, obserwacji nie da się prowadzić z powierzchni Ziemi, ponieważ atmosfera skutecznie je pochłania. Na szczęcie można wykorzystać do tego celu balony oraz rozmaite obserwatoria kosmiczne.
Rozbłyski gamma
W 1967 roku amerykański satelita wojskowy zarejestrował błysk promieniowania gamma. Wczesne analizy zakładały, że był on efektem próby jądrowej na terytorium ZSRR. Kolejne badania pokazały jednak, że nie pochodzą one ze źródeł ziemskich ani też z Układu Słonecznego. Kluczem tu jest izotropowość tych rozbłysków, czyli to, że dochodzą one do Ziemi dokładnie z wszystkich kierunków przestrzeni kosmicznej, jak promieniowanie reliktowe. Gdyby natomiast GRB pochodziły z bliska, tzn. z wyłącznie z Układu Słonecznego, rejestrowano by ich więcej w płaszczyźnie układu/dysku
Dziś rozbłyski gamma są wykrywane przez wiele teleskopów, głównie tych, które znajdują się w kosmosie. Są to gigantyczne wyrzuty wysokoenergetycznego promieniowania, a więc muszą pochodzić z bardzo wielkich zdarzeń kosmicznych. Zwykle jest to albo zderzenie gwiazd neutronowych albo takiej gwiazdy z czarną dziurą. Rozróżniamy rozbłyski krótkie (do 2 s), długie (powyżej 2 s) oraz bardzo długie (powyżej 10 tys. s). Najczęściej rejestrowane są rozbłyski długie.
Do gry wchodzi teleskop Jamesa Webba
Pod koniec października NASA opublikowała informację, że zespół kilku teleskopów, w tym James Webb Telescope oraz Fermi Gamma Ray Telescope, w marcu 2023 r. zarejestrował bardzo silny rozbłysk gamma, który oznaczono jako GRB 230307A.
Obraz rozbłysku GRB 230307A – to jest ta mała czerwona kropka po lewej. Z prawej galaktyka, z której “urwały się” gwiazdy
Dokładna analiza pokazała, że rozbłysk pochodził ze zderzenia dwóch gwiazd neutronowych odległych od Ziemi o ok. 1 mld lat świetlnych. Jak do tego doszło? Dawno, dawno temu w odległej galaktyce (tak, wiem, skąd ten cytat) para gwiazd się zbuntowała i odleciała. Gdy znalazły się w odległości ok. 120 tys. lat świetlnych od macierzystej galaktyki, nastąpiło między nimi gwałtowne zderzenie. Spowodowało ono emisję promieniowania gamma milion razy silniejszą niż całe światło Drogi Mlecznej. Zjawisko to znane jest pod nazwą „kilonowa”, ponieważ wydzielona energia odpowiada mocy tysiąca zwykłych nowych. Pierwsze teoretyczne modele tego zjawiska opracował polski astronom, Bohdan Paczyński (dalej będzie trochę o nim).
Po +/- miliardzie lat promieniowanie to dotarło do Ziemi i zostało zarejestrowane. Cała obserwacja trwała ok. 200 s. Uzyskano wiele bardzo interesujących danych, z których za najważniejszą uznano potwierdzenie obecności w pozostałościach po gigantycznym wybuchu śladów telluru, pierwiastka znacznie cięższego niż żelazo. Jest to dość rzadki pierwiastek, w układzie okresowym znajdziemy go w grupie tlenowców, pomiędzy selenem i polonem.
Widmo emisyjne kilonowej – schodkowe dane są z teleskopu Webb, czerwona linia to model widma emisyjnego. Powierzchnia pod krzywą (czerwona) wskazuje na obecność telluru.
Źródło: NASA, licencja: domena publiczna, NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Powstał on najprawdopodobniej w procesie r, który opisałem powyżej. To, że uzyskano takie właśnie dane, zawdzięczamy właśnie teleskopowi Webba. Część danych wskazuje, że są tam też obecne cięższe pierwiastki – lantanowce i aktynowce, ale to jeszcze wymaga solidnego potwierdzenia. Badacze uważają, że analizy kolejnych rozbłysków gamma pozwolą na wykrycie kolejnych ciężkich pierwiastków, co przyczyni się do doświadczalnego potwierdzenia, że właśnie proces r odpowiada za nukleosyntezę jąder cięższych od żelaza.
Swoistą ciekawostką jest to, że wykryto właśnie tellur, pierwiastek, którego nazwa pochodzi od łacińskiego „tellus”, co oznacza ziemię. W skorupie ziemskiej jest go zaledwie 5 ppb (części na miliard) i oczywiście każdy z atomów powstał gdzieś daleko podczas eksplozji lub zderzeń gwiazd.
Myślę, że niebawem dostaniemy wiele więcej informacji, nie tylko z tego rozbłysku, ale też z innych, które są obecnie analizowane.
Bohdan Paczyński (1940-2007)
źródło: wikimedia, licencja: CC BY SA 3.0
Jeśli spytalibyśmy ludzi o wybitnych polskich astronomów, zapewne padłoby nazwisko Kopernika. Ktoś pewnie wspomniałby jeszcze Aleksandra Wolszczana, pierwszego odkrywcę egzoplanety. I tyle. Tymczasem Bohdan Paczyński wielokrotnie był wymieniany jako kandydat do Nobla. Niesamowicie błyskotliwy pierwszy artykuł naukowy opublikował w wieku 18 lat, doktorat obronił w wieku 24, a tytuł profesorski otrzymał w wieku lat 34. Gdy miał 36 lat, został najmłodszym członkiem PAN. Zajmował się wieloma zagadnieniami, w tym właśnie rozbłyskami gamma. Od 1981 roku pracował w Princeton. Jego hipoteza o tym, że rozbłyski gamma pochodzą spoza naszej galaktyki, była przez lata ignorowana, dopiero po jakimś czasie zaczęła zyskiwać popularność. Dziś wiemy, że miał w 100% rację. Szkoda, że nie dane mu było dożyć odkryć z ostatnich lat. Zmarł w 2007 roku, po kilkuletniej walce z glejakiem mózgu.
Literatura dodatkowa