Preklad článku BBC The Cosmic Explosions That Made the Universe.
Záhadná kozmická továreň vyrába lítium. Vedci sú čoraz bližšie k zisteniu, odkiaľ pochádza.
Lítium sa dnes nachádza všade. Už v polovici 19. storočia využívali tento jemný, striebornobiely kov ako liek, doktori ním liečili reumu aj psychické ochorenia. Dokonca i dnes sa lítium bežne používa na liečbu bipolárnej poruchy.
Pre mnohých však lítium značí najmä akési synonymum batérií. Je kľúčovou zložkou mobilných telefónov, laptopov a ďalších prenosných zariadení. Keďže vzniká čoraz viac hybridných a elektrických áut, spotreba kovu ako lítim bude len narastať – podľa odhadu bankovej spoločnosti Goldman Sachs vzrastie až trojnásobne do roku 2025.
Väčšina svetových rezerv sa nachádza v Južnej Amerike, rovnako ako najväčšie ložiská pod suchými jazerami vo vysokých Andách. Lítium sa však nachádza vo vesmíre omnoho dlhšie než akékoľvek pohorie či dokonca Zem samotná. Je jedným z pôvodných prvkov – spolu s vodíkom a héliom –, ktoré sa zrodili počas Veľkého tresku pred 13,8 miliardami rokov.
Dejiny lítia sú dlhé, no aj zahalené rúškom tajomstva. V dozvukoch Veľkého tresku sa veľká časť práve vzniknutého lítia akosi stratila. Najzvláštnejšie je, že keď sa dnes vedci pozrú na súčasný vesmír, nájdu oveľa viac lítia – asi štyrikrát viac, než mohlo vzniknúť počas Veľkého tresku.
Vedci sa pokúšajú viac ako desaťročie zistiť, odkiaľ pochádza nadbytočné lítium. Vďaka nedávnym objavom sa však možno snaha nájsť záhadné kozmické továrne na lítium skončí.
Vo vesmíre sa nachádza viac lítia, než vytvoril Veľký tresk
Počnúc kyslíkom, ktorý dýchame, a končiac železom v našej krvi, značná väčšina prvkov v našom tele vznikla v hviezdnych jadrových „peciach“. Ako povedal astronóm Carl Sagan: „Sme stvorení z hviezd.“
Avšak ťažšie elementy, ako napríklad titán často využívaný v bicykloch, si vyžadujú čosi násilnejšie. Väčšina vznikla v jadrových reakciách počas explózií masívnych hviezd. Niektoré kovy, ako napríklad zlato, mohli vzniknúť dokonca počas silných zrážok neutrónových hviezd, ktoré sú extrémne hustými jadrami mŕtvych hviezd.
Napriek tomu väčšina základných prvkov vznikla počas prvých troch minút po Veľkom tresku. Raný vesmír bol akousi horúcou plazmovou „polievkou“ a ako rástol a chladol, zrážali sa v ňom prevažne atómy vodíka a hélia, dvoch najjednoduchších a najrozšírenejších prvkov s jadrom z jedného či dvoch protónov.
Veľký tresk vytvoril aj stopy ťažkej verzie vodíka, zvanej deutérium – ktorej jadro obsahuje namiesto jediného protónu aj neutrón navyše –, a ľahšej verzie hélia, ktorej jadro má jeden neutrón namiesto dvoch. Nakoniec Veľký tresk zanechal aj nepatrné množstvo lítia.
Tým sa to skončilo. Po troch minútach sa vesmír ochladzoval priveľmi na to, aby mohli vznikať akékoľvek ďalšie prvky.
Niektoré kovy možno vznikli počas silných zrážok neutrónových hviezd
Aj keď sa toto všetko stalo pred 13,8 miliardami rokov, vedci dnes celkom dobre rozumejú jadrovým reakciám, ktoré vytvorili prvé prvky. Kozmické lode ako WMAP alebo Planck vytvorili presné výpočty podoby raného vesmíru a vďaka tomu vedci dokázali vypočítať, aké množstvo ktorého prvku a izotopu mohlo vzniknúť.
Keď však vedci porovnali svoje výpočty raného vesmíru s tým, čo sa dá pozorovať, zistili, že nie všetko sedí. „Deutérium je presné,“ povedal Brian Fields, astrofyzik z univerzity v Illinois. „Hélium vyzerá fajn. Lenže lítium je mimo.“
A je poriadne mimo: je ho trikrát menej, než by malo byť, a táto diskrepancia sa nazýva „problém prvotného lítia“.
Kozmológovia si po prvýkrát všimli chýbajúce lítium pred takmer dvadsiatimi rokmi a prišli s niekoľkými potenciálnymi vysvetleniami.
Jednou z hypotéz je, že pradávne lítium zničil nejaký neznámy proces vo vnútri hviezd. Možno je vysvetlenie ešte radikálnejšie a zahŕňa úplne novú fyziku: napríklad vzájomné pôsobenie s temnou hmotou (tá tvorí zhruba štvrtinu celého kozmu), ktoré mohlo znížiť množstvo lítia v ranom vesmíre.
No zatiaľ čo rané doby vesmíru neobsahujú veľa lítia, súčasný kozmos ho má nadbytok. Astronómovia objavili pomerne hojné množstvo lítia na povrchoch mladých hviezd, ktoré vznikli relatívne nedávno, a takisto v meteoroch Slnečnej sústavy. Existuje asi štyrikrát viac lítia, než vzniklo počas Veľkého tresku, čo sa rovná váhe 150 sĺnk.
Niečo teda muselo vytvoriť nadbytočné lítium a rozptýliť ho po celom kozme, kde sa napokon včlenilo do vznikajúcej Slnečnej sústavy. A potom, o miliardy rokov neskôr, do batérií našich mobilov. Otázka je: čo?
Temná hmota ostáva záhadou
Jednou z možností sú kozmické lúče: vysokoenergetické častice – hlavne protóny –, ktoré „svištia“ vesmírom. Keď kozmický lúč len tak poletuje, môže naraziť do zatúlaných atómov, napríklad atómov kyslíka. Takáto zrážka rozbije atóm kyslíka na kúsky a vzniknú menšie prvky – vrátane lítia.
Hoci tento proces prebieha pravdepodobne v celej galaxii, podľa Fieldsa výpočty nasvedčujú tomu, že tieto zrážky dokážu vytvoriť len zhruba 20 % pozorovaného lítia. Ďalších 20 % sa pripisuje Veľkému tresku, no stále ostáva 60 % bez vysvetlenia.
Časť z tých 60 % možno pochádza z konkrétneho typu hviezd, ktoré sa nazývajú asymptotická vetva obrov (AGB). Tieto malé až stredne veľké hviezdy, ktoré nie sú ťažšie než 10 sĺnk, sú na konci svojho života. Jadrové reakcie v ich vnútri tvoria lítium, ktoré sa dostáva na povrch. Je však nejasné, koľko lítia sa skutočne rozšíri do galaxie.
Ďalšou alternatívou sú hviezdne explózie zvané novy. Na rozdiel od supernov, ktoré sú ich väčšími a silnejšími súrodencami, novy nie sú priamym dôsledkom hviezdnej „smrti“. Tieto miernejšie explózie sa odohrávajú na povrchu bieleho trpaslíka, čiže pozostatku menšej hviezdy, veľkého ako Zem.
Dvaja hustí bieli trpaslíci sa vzájomne obiehajú
Ak biely trpaslík obieha inú hviezdu, jeho gravitácia môže z hviezdy priťahovať vodíkový plyn a ďalšie látky. Vrstvy tohto materiálu sa hromadia na povrchu bieleho trpaslíka, čo zvyšuje jeho teplotu a tlak a nakoniec spôsobí termonukleárnu fúziu – a jadrové reakcie, ktoré vytvárajú lítium.
Jadrová fúzia ešte väčšmi zvyšuje teplotu a to vedie k ďalším fúznym reakciám. Všetky vrstvy daného materiálu napokon vybuchnú a tento výbuch pri pohľade zo Zeme vyzerá ako žiarivá hviezda: nova.
Explózia vypustí do vesmíru dané látky – vrátane lítia – rýchlosťou niekoľkých tisícov kilometrov za sekundu. Vďaka tomu sú novy omnoho efektívnejšími rozsievačmi kovov než hviezdy typu AGB, ako hovorí Luca Izzo, astronóm z Inštitútu astrofyziky v španielskej Andalúzii.
Astronómovia sa celé roky snažia zistiť, ktorý z týchto troch procesov – kozmické lúče, hviezdy typu AGB alebo novy – dokáže vytvoriť najväčšie množstvo lítia. „Vieme, že každý z nich určite produkuje lítium,“ tvrdí Fields. „Otázka je, či ho produkujú rovnocenne, alebo jeden prevažuje. Vedú sa o tom siahodlhé debaty.“
Naša technológia závisí vo veľkej miere práve na lítiu
Čo sa týka nov, vedci ich menovali potenciálnymi tvorcami lítia pred takmer štyridsiatimi rokmi. Dokonalejšie výpočty túto teóriu podporili počas 90. rokov, avšak výskum ostáva zatiaľ výlučne v teoretickej rovine bez akýchkoľvek dôkazných pozorovaní. Celé desaťročia nik nevidel „v akcii“ žiadne novy tvoriace lítium. Všetko sa však zmenilo začiatkom roka 2015.
Dve skupiny astronómov v Japonsku a Európe, vyzbrojené novými a vylepšenými prístrojmi a technológiami, zachytili lítium v novách. Tento objav nielen potvrdzuje, že novy skutočne tvoria lítium, ale takisto dokazuje, že ho vytvárajú veľa – potenciálne dostatok na to, aby sa im mohli pripísať zásluhy za väčšinu lítia v galaxii.
„Keď som videl výsledky, boli pre mňa prekvapujúce,“ hovorí Sumner Starrfield, astrofyzik zo Štátnej univerzity v Arizone a jeden z prvých vedcov, ktorí skúmali potenciál nov produkovať lítium ešte ku koncu 70. rokov.
Prvý ohlásený objav prišiel v roku 2015. Tím, ktorý viedol Akito Tajitsu z Národného astronomického observatória v Japonsku, objavil v nove berýlium. Bol to prvý znak, ktorý nasvedčoval tomu, že novy sú továrne na lítium, keďže berýlium sa na lítium rozkladá.
O pár mesiacov neskôr zverejnil Izzo a jeho tím štúdiu, v ktorej priamo uvádzajú, že objavili lítium v ďalšej nove. Začiatkom roku 2016 nasledoval ďalší objav Tajitsovho tímu, ktorý našiel berýlium v ďalších dvoch novách, vrátane novy zvanej V5668. Počas daného roka sa Izzo stal súčasťou tímu vedeného Paolom Molarom z Astronomického observatória v talianskom Terste, ktorý potvrdil výskyt berýlia na nove V5668.
Po Veľkom tresku sa značná časť novovzniknutého lítia stratila
To znamená štyri novy, ktoré slúžia ako dôkazový materiál a sú zároveň potvrdené dvomi nezávislými tímami. „Odborníci na spektroskopiu získavajú podobné výsledky,“ vraví Jordi José, astrofyzik z Technickej univerzity v španielskom Katalánsku. „To už o niečom vypovedá.“
„Podarilo sa im zachytiť novu v akcii tesne po explózii a vďaka tomu dokážu zmerať, čo všetko chrlí preč,“ hovorí Fields. „A hľa, sú to tony lítia.“
Izzo tvrdí, že nova, ktorú pozoroval jeho tím, vytvára také množstvo lítia, že dve podobné novy by mohli v priebehu roka vytvoriť všetko pozorované lítium v galaxii. Avšak je to len predbežný odhad, takže astronómovia budú musieť ďalej novy pozorovať, aby upresnili a potvrdili svoje merania.
Napriek tomu sú už len tieto získané dáta úspechom. „Vďaka takýmto meraniam sa dostávame bližšie k pravde,“ tvrdí Fields. Výskumníci ako Starrfield a José, teoretici, ktorým celé desaťročia chýbali dáta, teraz chcú prerobiť svoje výpočty a modely a porovnať ich s novými pozorovaniami. „Teraz sa hra začína,“ povedal José.
Explózie nov sa odohrávajú na povrchu bielych trpaslíkov
Vedci môžu ďalej schváliť súčasné modely fungovania nov a určiť, koľko lítia vychrlia. Vzhľadom na predošlé modely výskumníci ako José odhadovali, že novy by mohli mať na svedomí polovicu lítia, ktoré nevytvoril Veľký tresk. Avšak na základe nových pozorovaní je možné predpokladať, že novy produkujú až 80 % ne-prvotného lítia.
Samozrejme, toto nerieši problém prvotného lítia – záhadu, prečo mal raný vesmír o toľko menej lítia, než vedci predpokladali. Nové objavy by však mohli pomôcť.
„Keďže lepšie rozumieme ne-prvotným procesom, ktoré vytvárajú lítium – rozumieme, ako živé a mŕtve hviezdy tvoria lítium –, môžeme postupne rozpletať dejiny lítia v našej galaxii: koľko ho tu bolo pri zrode galaxie a kedy vstúpili na scénu nedávnejšie zdroje lítia,“ vraví Fields.
Vedci dúfajú, že odhalia úplnú históriu tohto nenáročného kovu, na ktorom je súčasná technológia tak veľmi závislá. Všetky tie atómy prešli dlhú cestu: či už od ohnivého zrodu kozmu, alebo z jadrových explózií mŕtvych hviezd na opačnej strane galaxie.
Komentáre