Prvky, které mohou za vznik života (vesmírná alchymie 2/6)

„Smrt je jen počátek něčeho nového.“ To, co na první pohled vypadá jako plochá ezoterická fráze, převedl vesmír do praxe. Jen díky zániku prvních chemických prvků – mohl vzniknout život a my lidé. (délka blogu 8 min.)

V minulém díle jsme opustili vesmír ve stavu, kdy skončila primordiální nukleosyntéza – proces, při kterém ve vesmíru vznikly první chemické prvky. Dnes je chemie daleko pestřejší – cesta k ní byla ovšem dlouhá a výbušná. Pojďme se podívat na tu část, kdy se do vesmíru dostaly právě ty prvky, které se jednou měly spojit do živé hmoty.

První hvězdy

Na počátku se ve vesmíru nacházelo kolem 75 % vodíku a 25 % helia s malým množstvím příměsí. Mělo trvat dalších 380 000 let, než se prostředí ochladilo natolik, že mohla proběhnout rekombinace kladně nabitých vodíkových a heliových iontů s volnými elektrony. Hmota tak přešla do formy neutrálních atomů a molekul.

Poté začala gravitace pomalu formovat první hvězdy. Tehdejší vesmír byl daleko menší než dnešní – hmota v něm tedy byla rozprostřena v menší objemu. Obrovská mračna neutrálního vodíku a helia dovolovala tvorbu velice hmotných hvězd. Ty dnešní by ve srovnání s nimi vypadaly jako trpaslíci.

I dnes se ještě občas najdou tak příhodné podmínky na to, aby vznikaly obří hvězdy – v naší galaxii jich známe hned několik. Jejich počet ale stále klesá díky tomu, že se vesmír rozpíná, celková hustota hmoty v něm klesá a nově se rodící hvězdy už nemají čistě statisticky k dispozici tolik materiálu, jako ty první.

Už na jeho počátku ve vesmíru fungovaly stejné zákony jako dnes – i první hvězdy se tedy chovaly podle známých pravidel. Jejich úděl byl například závislý na celkové hmotnosti tak, jak se to dá vyčíst z Hertzsprung-Russellova diagramu. Obří hvězdy měly před sebou jen velmi krátký život, na jehož konci vybuchovaly jako supernovy. Některé z nich měly tak extrémní hmotnost, že se z nich na konci aktivního života staly černé díry.

Mohlo by se zdát, že tyto první hvězdy zmizely z vesmírné scény beze stopy – ale opak je pravdou. Předtím, než odešly na hvězdný hřbitov, zásobily vesmír prvky, které se později staly základem biologického života.

První vesmírná alchymistická laboratoř

Alchymisty by jistě bývalo potěšilo, kdyby věděli, že přeměna jednoho prvku na jiný je nejen velice reálný proces, že je také zcela běžný a ve vesmíru k němu dochází už odedávna. První mistři-alchymisté nebyli lidé. Těmi prvními alchymisty se staly první hvězdy, které ve vesmíru zažehly nukleární fúzi.

Přitom musela budoucí hvězda splnit jednu podmínku - měla minimálně 0,085 hmotnosti Slunce. Nové hvězdy, které se ve vesmíru objevily, měly vesměs daleko, daleko vyšší hmotnost a tak pro ně nebyl problém, aby ve svém nitru vytvořily dostatečně vysoký tlak a teplotu na přeměnu vodíku na helium – první jadernou fúzi.

První hvězdy kolem sebe neměly žádné planetární soustavy. Ve vesmíru ještě nebyly žádné těžší prvky, které by je mohly vytvořit. Neexistoval prach, ze kterého by mohla vzniknout pevná tělesa, a není žádný důvod se domnívat, že se v tomto raném stádiu vesmíru někde nalézal živý organismus, který by mohl tehdejší stav pozorovat. Ani my sami dnes nemáme šanci, pozorovat jednotlivé nejstarší hvězdy – pomocí vesmírného teleskopu s jedinečným rozlišením se ale podařilo pozorovat jen obří shluky hvězd, velice vzdálené galaxie. Jedná se o první galaxie, které se tvořily v dávném vesmíru.

S poklidným životem prvních hvězd byl brzo konec…

Přeměna vodíku na helium logicky fungovala v nitru hvězd tak dlouho, dokud se nespotřebovaly její zásoby vodíku.

Na první pohled by se zdálo být logické, že čím více paliva má hvězda k dispozici, tím delší dobu může poklidně žít a zářit. Je to ale přesně naopak. Čím vyšší hmotnost objektu a čím extrémnější podmínky v jeho nitru – tím efektivněji a bouřlivěji probíhají různé fáze spalovacích reakcí. Co víc - čím větší je hvězda, tím hůře jsou pro ni dostupné zásoby vodíku ve vrstvách blízkých povrchu. Paradoxně je to tedy naopak – čím větší a hmotnější je hvězda, tím rychleji se dostane do problémů.

První obří hvězdy, které měly mnohonásobně více hmoty, než jí má naše Slunce, se do problematického stavu dostaly poměrně rychle, už po několika miliónech let.

Připomeňme si, že ve vesmíru přitom existovaly pořád ještě stejné prvky, jako po skončení primordiální nukleosyntézy. Pomyslná periodická tabulka prvků byla zaplněna jen několika málo nejlehčími prvky. Nejtěžšími z nich byly prvky lithium a malé množství beryllia.

V této zajímavé fázi vývoje vesmíru se ovšem mělo stát něco, co je pro nás, živé organismy velice důležité.  Objevil se v něm uhlík, nejhravější prvek periodické tabulky, který je jako jediný schopen v běžných planetárních podmínkách vytvořit dostatečnou chemickou variabilitu pro vznik života.

Vesmír, uhlík – a život

Hvězdám, kterým došlo vodíkové palivo, hrozí nejisté časy. Záření, které se uvolňovalo díky nukleární fúzi, a které pomáhalo hvězdě odolávat vlastní gravitaci, najednou chybí. Jádra takových hvězd musí nutně kolabovat. Teplota a tlak v nich díky stlačování hmoty opět narůstá – a to až do chvíle, kdy umožní další stupeň proměny prvků – syntézu nového prvku, už zmiňovaného uhlíku.

Syntéza uhlíku probíhá u všech hvězd, které mají hmotnost vyšší než 0,85 Sluncí.

Větu jsem zdůraznila tučným písmem. Je totiž velice důležitou součástí vesmírné mozaiky. Je dokonce nepřímo i odpovědí na nejfrekventovanější otázku, kterou dnes lidé dávají do souvislosti s vesmírem: „Existuje někde ve vesmíru život, podobný tomu našemu?“

Uhlík je jedinečný prvek, který nemá v celé periodické tabulce prvků konkurenci.  Je to prvek, který se může spojovat jak s kyslíkem, tak s vodíkem a jinými prvky - ale hlavně sám se sebou – a to dokonce hned několika různými druhy vazeb. Vytváří tak nepřeberné a obrovské množství sloučenin – které se staly základními kameny života. Uhlík a jeho sloučeniny mají dokonce takovou důležitost a tak specifické vlastnosti, že se jejich popisem zabývá celé jedno objemné odvětví – organická chemie.

A vesmír? Hvězdy v něm nevznikají jen pouhou nevyzpytatelnou náhodou. Jejich vznik se naopak řídí určitými zákony. Znamená to například, že statisticky vzniká daleko více středních a malých hvězd než hvězdných obrů. Dnešní populace hvězd vykazuje zhruba 7 % Slunci podobných objektů. Hvězd, které jsou sice menší, ale přesto dokáží ve svém nitru vytvářet uhlík, je samozřejmě ještě daleko více.

Když k nim připočítáme i ty hvězdy, které jsou větší než Slunce – získáme docela dobrý přehled o tom, jak často a jak intenzivně dochází ve vesmíru dokonce i v dnešní době k tvorbě uhlíku. Každá větší hvězda musí projít oním stádiem, ve kterém produkuje právě ten prvek, který se zasluhuje o vznik života. Samotná hvězda se přitom z normálně zbarveného a přiměřeně zářivého objektu mění v monstrum, kterému říkáme červený obr.  

Pokračování příště…