Základní kameny života (vesmírná alchymie 3/6)

O tom, že ve vesmíru existuje život, nelze pochybovat. Nabízí se ovšem otázka – jak je častý? Je život na naší planetě výjimkou, způsobenou jedinečnými podmínkami – například výskytem vzácných chemických prvků? (délka blogu 8 min)

V minulém díle jsme opustili mladý vesmír ve chvíli, kdy se v prvních hvězdách začalo helium měnit na uhlík.  

Vesmír byl v té době pořád ještě velice mladý. Jeho alchymistická laboratoř obsahovala jen několik chemických prvků. Přesto byl už tehdy mezi nimi ten, který je pro vznik života nejdůležitější – uhlík. Znamená to, že všude ve vesmíru existuje už od jeho rané fáze prvek, díky kterému se na naší Zemi vyvinul organický život.

Uhlík je jedinečný prvek. Tvoří sloučeniny s většinou ostatních prvků a dokáže tvořit vazby i sám se sebou. Může za to jeho elektronová konfigurace a střední elektronegativita, která mu umožňuje spojovat se jak s elektronegativními, tak s elektropozitivními prvky. Uhlík disponuje čtyřmi vnějšími elektrony, které může investovat do chemických vazeb – může tedy vytvořit čtyři vazby. Dovoluje to vznik dlouhých uhlíkových řetězců, smyček nebo třeba struktur, podobných síti.  Souhrnný počet uhlíkových sloučenin je mnohem vyšší než množství sloučenin, které tvoří všechny ostatní prvky periodické tabulky dohromady. Není to náhoda, že se život ve vesmíru (minimálně život našeho typu) zakládá právě na tomto prvku.

To je pozitivní úvaha pro ty, kdo doufají, že je vesmír obydlený inteligentním životem, který se podobá našemu.  I když je možná skok od živého systému k inteligentnímu živému systému složitější, než se na první pohled zdá, předpoklady pro vznik života (vhodný chemický prvek a ideálními vlastnostmi) nalezneme prakticky všude ve vesmíru.  Vytvořily ho už první hvězdy, které došly do fáze červeného obra.

Syntéza kyslíku

Nemělo trvat dlouho – a celý proces, který vedl už ke vzniku uhlíku v prvních hvězdách, se měl s malou obměnou znovu opakovat. Samozřejmě jen u hvězd s patřičnou hmotností. Brzy jim došlo heliové palivo, které bylo zpracováno na uhlík. Jádro hvězdy opět začalo trpět nedostatkem tlaku záření, které v něm vznikalo díky termojaderné fúzi. Centrum takové hvězdy začalo kolabovat, zvyšovala se v něm hustota a teplota – až se dostalo do stavu, kdy se zažehl další stupeň alchymistické reakce. Tentokrát se při ní spaloval uhlík na kyslík, když se sloučilo jádro zbytkového helia s jádrem uhlíku. Ve vesmíru se tak objevil další prvek. Překvapí vás, že to byl právě ten, který nám umožňuje dýchání?

V jádrech hvězd mimochodem probíhá ještě řada dalších reakcí. Na hranicích mezi jednotlivými spalovacími zónami s dostatečným tlakem a teplotou může probíhat například proces, který dostal název CNO-cyklus. Pomocí různých reakcí a za účasti jader uhlíku, dusíku a kyslíku, se při něm spaluje vodík na helium. Proces samozřejmě může odstartovat až existence samotných jader těchto prvků. Uplatňuje se nejen na hranici jednotlivých zón, ale také například ve hvězdách s vyšší konvekcí (promícháním hmoty), když se mísí hmota z jednotlivých zón hvězdy.

Jednotlivá jádra vodíku se mohou kromě toho „zabudovávat“ do již existujících jader těžších prvků procesem, který se označuje písmenem „p“ (p-proces, název pochází od slova proton). Čím těžší je přitom jádro těžkého prvku, tím horší má tento proces šanci ke své realizaci. Kladně nabitá jádra vodíku a kladně nabitá jádra těžších prvků se totiž nutně odpuzují. To je také důvod, proč jsou p-procesy úspěšné jen u relativně lehkých prvků. Vzácnější jsou u opravdu těžkých prvků – tam převažuje spíše proces, který se zakládá na záchytu neutronů a následném rozpadu přebytečného neutronu na proton.

Kyslík je silně aktivní chemický element. Rád se slučuje jak s kovy tak nekovovými prvky. S uhlíkem tvoří jak organické tak neorganické molekuly.

Je vlastně takovým univerzálním vesmírným pošťákem. Každého zná, dostane se do všech ulic a navíc nosí důležité dopisy a dokonce balíky. Ne nadarmo vytěsnily první bakterie, které začaly zpracovávat kyslík, své předchůdkyně. Kyslík dovoluje živému organismu efektivnější využití zdrojů energie.

Můžeme vycházet z toho, že mnoho z prvních hvězd skutečně mělo dostatek hmoty na to, aby vytvořilo vhodné podmínky pro syntézu obou prvků (kyslíku a uhlíku).

Hvězdná alchymie v extrémních hvězdách

Na to, aby mohly hvězdy syntetizovat ještě těžší prvky než je kyslík, musí mít ve svém nitru logicky daleko vyšší teplotu a tlak.

Energie, kterou potřebují pro svou reakci jádra relativně těžkých prvků, je vyšší, než je tomu u lehčích prvků. Aby se podařila jaderná syntéza, je totiž třeba překonat stále vyšší a vyšší odpudivou sílu kladně nabitých atomových jader (podobně jako u výše zmíněného p-procesu, při kterém se do kladně nabitého jádra prvku „zabudovává“ kladně nabitý proton).

Hvězdy, které mají méně než osminásobnou hmotnost Slunce, nemají dostatek hmoty, aby mohly vytvořit potřebné podmínky pro tuto fázi termojaderné fúze. Může za to mimo jiné i ztráta hmoty, která hrozí hvězdě ve stadiu červeného obra.

Ztráta hmoty

Jakmile dospěje hvězda do stádia rudého obra, znamená to, že přestala se spalováním vodíku a zažehla ve svém nitru další, nové termonukleární reakce. V tomto stádiu začíná také pomalu ztrácet hmotu v podobě silného hvězdného větru a dokonce proudu prachových částic.

Úbytek váhy může být srovnatelný s hmotností našeho Slunce – a to v relativně krátké době (ca. 10 000 let). Mohou za něj dva efekty.

Prvním z nich je zvýšený tlak záření, které má hvězda k dispozici díky nově zažehlé termonukleární fúzi ve svém nitru. Druhým je nižší hodnota gravitace na povrchu hvězdy. Rudí obři jsou (jak je vidět z názvu) obří hvězdy, které během tohoto stádia své existence zvětšují svůj objem. Povrch takového rudého obra může zasahovat až za oběžnou dráhu naší Země – je tedy logické, že přitažlivá síla na jeho povrchu je nižší, než byla během stabilního života, když byl povrch hvězdy daleko blíže k jejímu centru.  Je to podobné, jako když porovnáme gravitaci na zemském povrchu a na oběžné dráze kolem Země. Zatímco na povrchu planety cítíme její gravitaci naplno, na vzdálené oběžné dráze už je jen minimální.

Prach a částice jsou vytlačovány působením záření (které může být 10x – 100x silnější než v dobách, kdy se hvězda „živila“ spalováním vodíku) – zároveň je drží jen nízká gravitace. Výsledkem je relativně intenzivní ztráta hvězdné hmoty – a to dokonce prachových částic, tvořených těžšími prvky, které se vyskytují ve formě pevného tělesa a ne plynu.

V podpovrchových oblastech hvězdy se tvoří molekulární clustery z nově vzniklých těžších prvků, uhlíku, dusíku a kyslíku, nebo také molekuly vody a jejich části (hydroxylový iont). U velmi těžkých hvězd, které už ve svém nitru syntetizovaly kovy a křemík, to pak mohou být různé oxidy, silikáty a karbidy.

Předpokládá se, že zhruba polovina těžších prvků, které se nacházejí v mezihvězdné hmotě, se do ní dostala díky aktivitám rudých obrů.

Znamená to, že už první rudí obři zásobili vesmír prvky, ze kterých se mohou tvořit planety. Zasloužily se o to ty hvězdy, které měly dost hmoty na to, aby se v nich zažehla pokročilá termojaderná fúze a tím i výroba křemíku a jiných těžších prvků. Právě ze sloučenin křemíku se skládají povrchové vrstvy pevných planet, které na svém pevném povrchu umožňují rozvoj života, jak ho známe na Zemi.

Další podmínka - bodyguard

Život, který se vyvinul na planetě, obíhající kolem své centrální hvězdy, ale nemá vyhráno. Komplikované organické sloučeniny jsou citlivé na vliv vysoce energetického hvězdného větru a záření. Na to, aby se takový život ochránil před účinky vesmírného bombardování – potřebuje ještě jeden prvek – železo, hrající úlohu bodyguarda.

Z železa a jeho příbuzného niklu se skládají jádra velkých objektů – asteroidů a jejich větších příbuzných, planet. Tekuté jádro dovede vytvořit magnetické pole, které odklání nabité vesmírné částice – a chrání tak před jejich působením vše, co se nachází uvnitř takového pole. O vzniku železa, bodyguarda živé hmoty, bude pojednávat příští blog.