Kdo je kdo? (vesmírná alchymie 5/6)

V jednom jediném nepatrném okamžiku se rozhoduje o bytí a nebytí. Jen málokterý jev je dramatičtější, než výbuch supernovy II. typu. O tom, jak se vesmír stal dobře vybavenou chemickou laboratoří. (délka blogu 8 min.)

Na konci minulého blogu jsme opustili jednu z prvních hvězd v okamžiku, kdy se právě stala supernovou 2. typu. V jejím centru se vytvořila obrovská exotická koule – neutronová protohvězda. Naprostou většinu její hmoty tvořily neutrony, nacházející se v exotickém stavu. Hustota takové protohvězdy bývá dokonce 2x – 3x vyšší, než hustota běžného atomového jádra.

Neutronové hvězdy nemají žádný další zdroj energie (logicky už v nich neprobíhá žádná další jaderná fúze) – celkem rychle tedy vychládají. U objektů, které se podařilo pozorovat, byla naměřena teplota mezi 0,5  - 1,5 milióny stupňů.

Co se stalo s ostatní hmotou bývalé obří hvězdy?

Zbytek bývalé hvězdy, který se nezúčastnil tvorby neutronové koule, je při explozi odmrštěn do okolí. Chemické prvky, které po celý hvězdný život vznikaly v jejím nitru, se dostávají do volného vesmíru. Už to nejsou jen osamělá pevná prachová zrnka, které za sebou hvězda trousila během své fáze rudého obra – do okolí hvězdy se při explozi supernovy dostává opravdu obrovské množství hmoty.

Konkrétní procesy, které se zasluhují o dynamiku, tedy průběh samotné exploze, jsou komplikované, přenechme je tedy odborníkům. Zajímavé jsou ale typy reakcí, které přispívají k tvorbě nových chemických prvků. Vesmír vděčí supernovám za všechny ostatní prvky, těžší než železo.

Prvotřídní alchymistická dílna

V minulém díle jsem zmínila, že se pomocí syntézy dvou lehčích jader dají vytvořit jen prvky, které jsou lehčí než železo.

Proč zrovna železo?

Důvodem je působení elektromagnetické síly. Jádra jsou totiž principiálně vždy kladně nabitá. Náboje stejného typu se odpuzují, náboje opačné se naopak přitahují. Oba lehké prvky musí nejprve překonat tuto sílu, která se je snaží od sebe oddělit. Čím vyšší je náboj jádra (čím více je v něm protonů), tím silnější je odpudivá síla. Příroda tuto obranu překonává v centrech hvězd zvyšováním tlaku a teploty – to ale nejde donekonečna. Logicky musí jednou dojít ke stavu, kdy už další zvyšování teploty (a tím i kinetické energie jednotlivých jader) není možné.

Dalším limitem pro úspěšnou fúzi v jádrech hvězd je uvolňování energie při syntéze dvou lehčích jader na těžší. Čím těžší prvky takto vznikají, tím méně energie se při fúzi získá. Posledním prvkem, při kterém ještě funguje fúze jako zdroj energie - je v našem vesmíru železo.

Všechny ostatní, těžší prvky vznikají přímým záchytem neutronů a jejich eventuální další přeměnou na protony. To je velice praktické. Připomeňme si, že pokud má vybuchující supernova něčeho opravdu dost – jsou to právě neutrony.

Středověcí alchymisté nemohli nikdy ve svých snahách uspět. Neměli k dispozici ani dostatečné množství energie, natož přístroje, které by uvolňovaly neutrony. Nevěděli dokonce ani, co to vlastně neutrony jsou… a proč jsou při tvorbě zlata (a ostatních prvků) tak důležité.

Co mají chemické prvky společné a v čem se liší?

Všechny souvislosti vysvětlila až mnohem později vznikající věda, které říkáme chemie. Spolu se svou starší sestrou fyzikou vysvětlila jak rozdíly, tak podobnost mezi jednotlivými chemickými prvky. 

Podoba spočívá v tom, že se úplně všechny chemické prvky skládají jen ze tří různých částic. Přírodě se dá opravdu vytknout ledacos – jen ne to, že by byla rozhazovačná a plýtvala.

Přitom je jedna z těchto tří částic (elektron) zodpovědná za chemické vlastnosti prvků a za jejich vzájemné hrátky – chemické reakce. O fyzikálních vlastnostech a tedy identitě jednotlivých chemických prvků – pak rozhodují skutečně jen dvě částice. Jsou to protony a neutrony, které tvoří jejich jádra.

Tento fakt – je fascinující. Vesmír tak trochu připomíná matematickou binární číselnou soustavu, která je také schopná vyjádřit všechna čísla s pomocí pouhých dvou jednotek – jedniček a nul.

Oproti matematice tu je ale jeden rozdíl. Matematika je exaktní věda. Vesmír je naopak pestrý a možná má také trochu smysl pro humor. Jedním z vesmírných žertíků je fakt, že vesmírné „jedničky“ a „nuly“ nemají v prvcích určené přesné pořadí. Je v podstatě jedno, kde se přesně nacházejí. Vesmír netrvá na přesném zasedacím pořádku. 

Rozdíl mezi jednotlivými chemickými prvky spočívá jen v množství protonů a neutronů (tedy jedniček a nul) v jádře prvku, podobně jako množství jedniček a nul a jejich pozice v číslech binárního kódu rozhoduje o tom, o jaké číslo se jedná.  

Kdo určuje identitu chemického prvku?

V našem vesmíru existuje 92 různých chemických prvků, které jsou natolik stabilní, aby mohly existovat velice dlouhou dobu, srovnatelnou se dobou existence vesmíru. Dají se přirovnat k různým rodinám. Tyto rodiny mají různé členy, kteří se od sebe navzájem trošku liší, přesto všichni nesou stejné příjmení.

Rodinné příjmení – tedy podstatu a jméno chemického prvku - je určeno počtem protonů v jádře. Přítomnost a množství neutronů nejsou pro chemickou podstatu prvku důležité. Neutrony pro změnu rozhodují o identitě konkrétního člena dané rodiny. V jádrech, která mají stejný počet protonů, od sebe navzájem odlišuje různé množství neutronů chemické „sestry a bratry“ – izotopy prvků.

Alchymistické proměny při výbuchu supernovy

Po tomto malém výletu do chemie se vraťme zpátky k vybuchující hvězdě. Výbuch supernovy je vlastně jeden obrovský alchymistický mejdan.

Mezi pozvané hosty patří lehčí chemické prvky a hlavně velké množství atomů železa, které bylo posledním svědkem života bývalé hvězdy. Mísí se velkých množstvím neutronů, které pocházejí z bývalých jader chemických prvků vzniklých ve hvězdě - a roztrhaných extrémním zářením (jevu se říká dezintegrace - viz předchozí blog).

Myslím, že nikoho nepřekvapí, že je taková party dost bouřlivá – a díky obrovskému množství energie mezi hosty dochází k intenzivním interakcím.

A jako na každé pořádné oslavě – se samozřejmě nabízí otázka: Kdo s kým? Vesmír je sice stydlivý, vědci jsou ale hodně zvědaví – a tak se v minulosti podařilo odhalit roušku, která skrývala tajemství vzniku těžkých prvků. Ale o tom, jak vznikalo (nejenom) zlato až příště…

Zdroje:Heinz Oberhummer: Kerne und Sterne: Einführung in die Nukleare Astrophysik. Barth, Leipzig/Berlin/Heidelberg 1993, Andrew McWilliam, Michael Rauch: Origin and evolution of the elements. Cambridge Univ. Pr., Cambridge 2004