asztrofizika

2021.11.01. 08:50

Tudta-e, hogy egy távoli csillagkatasztrófa emlékét viseli a nyakán?

Nemcsak a nemesfémek, hanem létezésünk jövője is egy régi szupernóva termonukleáris kohójában keletkezett.

Forrás: Illusztráció / Shutterstock

Fotó: Shutterstock

A 20. század tudományos forradalma előtt nem volt világos, hogy mi táplálja a Nap és a csillagok tüzét, illetve az sem, hogyan keletkezhettek a rendkívül stabil nehéz elemek, mint amilyen például az arany vagy az ezüst. Csak a kvantumfizika hajnalán jöttek rá, hogy a csillagok tüzét nem kémiai folyamatok, illetve nem a gravitáció, hanem valami egészen más, a magfúzió élteti – írja az Origo.

De önmagában még ez sem adott magyarázatot arra, hogy a vasnál nehezebb elemek, amelyek a világegyetem ősanyagához, a hidrogénhez képest extrém ritkának számítanak az univerzumban, miként jöhettek létre. A csillagfejlődés törvényszerűségeinek feltárása vezetett el ahhoz hogy megfejtsük:

a földi élet építőköveihez is szükséges összes elem csak kivételesen ritkán, az univerzum egyik leghatalmasabb energiafelszabadulással járó jelensége, a szupernóva-robbanás során jöhet létre.

Azt, hogy létezünk, egy távoli múltba vesző gigantikus csillagkatasztrófának köszönhetjük csakúgy, mint az aranygyűrűinket és nyakláncainkat is.

Sokáig volt rejtély, hogy mi fűti a Napot

A 19. századra már olyan fejlett volt az asztronómia, hogy pontosan meghatározhatóvá vált a Nap tömege és a Földől mért távolsága. A kor tudósait komolyan foglalkoztatta az a kérdés, hogy a tőlünk közel 150 millió kilométeres távolságra fekvő Napnak miből származhat az a gigászi hőenergiája, ami még ebből az irdatlan messzeségből is kellemessé, lakhatóvá teszi a földet.

A 19. század tudósai úgy vélték, hogy egyszerű kémiai égésből származik a központi csillagunkból érkező meleg. A kor tudósai közül Lord Kelvin volt az első, aki komolyan megkérdőjelezte ezt az elméletet, abból kiindulva, hogy még a Nap hatalmas tömege sem lenne elegendő hosszú távon ehhez, mivel előbb-utóbb egyszerűen elégetné önmagát.

William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907)
Fotó: Ann Ronan Picture Library / AFP

Kelvin kiszámította, hogy a Nap hőenergiája keletkezhetne a gravitációs összehúzódásból is, de még ez a folyamat sem biztosítaná néhány millió évnél tovább a napsugárzást.

A nehezen megfejthető problémának Albert Einstein adott új perspektívát,

az 1905-ben publikált híres E=mc2 képletével (energia = tömeg szorozva a fénysebesség négyzetével), amely szerint már rendkívül kicsiny mennyiségű anyag is óriási energiává alakítható.

Ennek az 1930-as években Otto Hahn, Nobel-díjas német kémikus a maghasadás felfedezésével, illetve a szintén Nobel-díjas Hans Albrecht Bethe, valamint Carl Friedrich von Weizsäcker német atomfizikusok a róluk elnevezett Bethe- Weizsäcker ciklus megalkotásával, vagyis a csillagok belsejében zajló magfúzió leírásával adtak gyakorlati jelentőséget. A termonukleáris magfúzió felfedezése vezetett el a csillagok belsejében zajló folyamatok, és a nehéz elemek keletkezésének megértéséhez is.

Amikor egy csillag mérete hirtelen a százszorosára növekszik

Ha este feltekintünk a csillagos égboltra, minden egyes fénypont egy-egy távoli „csillag-Napnak” felel meg, amiket a belsejükben zajló termonukleáris fúzió miatt látunk fényesnek. Ha gondosan megfigyeljük a csillagokat, már rövid szemlélődés után is feltűnhet, hogy más és más színűek: vannak fehéren ragyogó, kékesfehér színben játszó, továbbá narancs és vörös színben pompázó „égi tünemények”.

A csillagok színe egyaránt utalhat a tömegükre, a korukra, illetve a hőmérsékletükre.

A csillagok a kozmikus tér hatalmas gáz és porfelhőiből alakulnak ki a különféle gravitációs hatások miatt összesűrűsödő anyagból, az úgynevezett globulákból. Ha a protocsillag tömege kellően nagy ahhoz, hogy a gravitációs összehúzódás elegendő nyomást és hőmérsékletet termeljen a születő égitest belsejében a termonukleáris fúzió (a proton-proton ciklus) beindulásához, a csillag felragyog, és sugározni kezd.

Mivel az univerzum ősanyaga 99 százalékban a hidrogén, a fiatal csillagok tömege is legnagyobbrészt hidrogénből épül fel. A csillag életciklusának elején így először a hidrogénatomok fúziójából hélium keletkezik, miközben energia szabadul fel.

A csillag – a tömegétől függően – néhány millió, illetve milliárd év alatt elhasználja a teljes hidrogénkészletét.

Amint a magban egy bizonyos határértéket ér el a hélium mennyisége, leáll a magfúzió, és megszűnik sugárnyomás, ami miatt a gravitáció hatására a csillag külső rétegei a mag belseje felé préselődnek.

Az erőteljes összehúzódás hatására a magban megnövekszik a nyomás és a hőmérséklet, ami ha eléri a 100 millió Kelvin fokot, beindul a hélium fúziója. Az ismét felforrósodó mag hatására a csillag megint elkezd felfúvódni, csak hogy ez a folyamat ekkor már sokkal hevesebb, mint amilyen a csillag megszületésekor volt.

A gyors felfúvódás hatására a csillag mérete a korábbiakhoz képest akár a százszorosára is megnövekedhet,

így jön létre a vörös óriás állapot.

A vörös óriássá felfúvódott Nap a Jupiter Európa nevű holdjáról nézve (művészi impresszió)
Fotó: Mark Garlick / Science Photo Library via AFP

A vörös óriásban a hélium elégetése jó pár millió évig eltarthat, és hogy mi történik azután, hogy a csillag felégette a héliumkészletét is, az az égitest tömegétől függ.

Egy távoli csillagkatasztrófa, aminek az aranyat, és az életünket is köszönhetjük

Ha egy legalább négy naptömegnél nagyobb csillag válik vörös óriássá, a hatalmas gravitációs erő miatt az égitest egy idő után ismét elkezd zsugorodni, de jóval hevesebben, mint más, kisebb tömegű csillagok. Az összeomló vörös óriás magja sokkal forróbbá és sűrűbbé válik, ami miatt újabb nukleáris reakciók indulnak be csillag belsejében, a fúzió pedig egyre nehezebb elemeket hoz létre.

Ez a folyamat átmenetileg megakadályozza a csillag magjának összeomlását, egészen addig, amíg a termonukleáris fúzió – a tömeg függvényében – eljut a 14-es rendszámú szilícium, vagy a a periódusos rendszer 26-os rendszámú elemének, a vasnak a felépítéséig. Ezt követően viszont már nincs olyan erő, ami a roppant gravitáció miatt megakadályozhatná a mag összeomlását.

A gravitációs kollapszus rendkívül heves és gyors, mindössze néhány másodperc alatt lezajló folyamat

ami egy gigantikus termonukleáris reakcióban, a szupernóva-robbanásban teljesedik ki. A szupernóva-robbanás alkalmával felszabaduló energia mennyiségét jól szemlélteti, hogy

a szupernóva fénye rövid időre elérheti az adott galaxist alkotó 100-200 milliárd csillag együttes fényét is.

A szupernóva-robbanással együtt járó neutrinóáradat az elpusztuló csillag anyagának jelentős részét szétszórja a csillagközi térben. Miközben a nagy sebességgel szétszóródó anyag kitett az erős neutrinósugázásnak, az atomok neutrinókat elnyelve a vasnál is nehezebb elemekké alakulnak át.

Nap-típusú csillag keletkezésének, életútjának és pusztulásának időrendje egy képen ábrázolva
Fotó: Mark Garlick / Science Photo Library via AFP

Így jön létre többek között a 79-es rendszámú arany, valamint a periódusos rendszer vasnál nehezebb összes természetes eleme, egészen a 92-es rendszámú uránig bezárólag. Tehát a Földön fellelhető nehéz elemeket – a gyűrűnk vagy nyakláncuk alapanyagát alkotó aranyat és ezüstöt is – egy múltbeli csillagkatasztrófa tárgyi emlékeinek tekinthetjük.

De nemcsak az aranyat, hanem áttételesen a létezésünket is annak a távoli múltban történt szupernóva-robbanásnak köszönhetjük, amelynek anyagfelhőjéből alakult ki a Naprendszer. Ahhoz ugyanis, hogy a földi élet alapköveit alkotó bonyolult szerves molekulák, az aminosavak felépüljenek, szükség volt a periódusos rendszer valamennyi természetes elemére.

Így tehát egy ősrégi csillag halála teremtette meg annak lehetőségét, hogy ma létezhessünk. Ha felpillantunk a csillagos égre, vagy megsimítjuk az ujjunkon lévő aranygyűrűt, jusson eszünkbe ez is.

Borítókép: Illusztrációfotó

 

Hírlevél feliratkozás
Ne maradjon le a teol.hu legfontosabb híreiről! Adja meg a nevét és az e-mail-címét, és mi naponta elküldjük Önnek a legfontosabb híreinket!