Търсене
Close this search box.

Откъде се е появило златото?

Откъде се е появило златото?

Откъде се е появило златото?

Откъде се е появило златото?


Направи дарение на училище!



***

Много от химичните елементи са се образували в звезди, подобни на нашето слънце. Но нови доказателства сочат, че произходът на златото може да бъде много по-древен.

 

Всеки знае, че древните алхимици са били обсебени от идеята да могат по изкуствен път да правят злато. В крайна сметка така и не успяват. Това го знаят всички, но ето нещо, което не много хора знаят – хиляди години по-късно ние все още не разбираме напълно откъде всъщност е дошло златото.

Можем да го намерим на Земята, разбира се. Но къде във Вселената е било образувано за първи път, това отдавна е загадка от космически мащаб.
Повечето от познатите ни елементи като въглерод, кислород, азот, са с ясен произход. Техните атоми са били “сготвени” в бурните сърца на звездите чрез ядрен синтез.

Но мощта на стандартният синтез е достатъчна за да произведе само относително леки елементи. За да създадете по-тежки, е необходим по-мощен процес. Работата е там, че не знаем точно как и къде той се случва. Това се отнася не само за златото, но и за десетки по-тежки и по-екзотични елементи. Може да се каже, че произходът на половината елементи от периодичната таблица е неизвестен. 


Разбери повече за БГ Наука:

***

Не липсват възможни обяснения, всяко от които включва огнената смърт на звезди или други небесни имплозии. Сега обаче най-накрая имаме някои твърди доказателства – за първи път наблюдавахме, как се получават тежки елементи. Проучвайки по-нататък, научихме, че техният произход вероятно е много по-фин, отколкото някога сме подозирали.

Химическите елементи са основните градивни елементи на всичко, включително и на нас. Заедно с доста други елементи, тялото на един зрял човека съдържа някъде около 16 килограма въглерод, 780 грама фосфор и 0,2 милиграма злато. Дълбоко в себе си всеки елемент е направен от едни и същи три частици. Има ядро ​​от положително заредени протони и неутрални неутрони, обикаляно от много по-малки, отрицателно заредени електрони. Броят на протоните в ядрото определя елемента: шест протона означава, че имате въглерод; златото е много по-тежко – със 79 протона.

Броят на неутроните обикновено е същият като броя на протоните, въпреки че това може леко да варира, произвеждайки малко по-тежки или по-леки версии на същия елемент, наречени изотопи.

Звездите започват живота си като огромна маса, която се състои почти изцяло от най-лекия химичен елемент – водород, изграден от един протон и един електрон. Скоро процесът на ядрен синтез избликва и водородните атоми се сливат, за да образуват хелий, който има два протона. Този процес продължава да произвежда постоянно по-тежки елементи. Но само до определен момент. Тъй като атомните ядра стават по-големи, електромагнитната сила започва да ги раздалечава по-силно докато накрая те вече не могат да се приближат достатъчно, за да се слеят в по-тежки елементи. Отвъд желязото, което има 26 протона, по-нататъшен синтез почти никога не се случва в звезда.

И така, откъде да вземем по-тежките елементи? През 50-те години на миналия век физици, включително Фред Хойл, осъзнават, че има алтернатива на синтеза. В него участват неутрони, които, нямайки заряд, не са възпрепятствани от електромагнитната сила. Ако един атом улови неутрон, докато преминава през него, той ще прерасне в по-тежък изотоп на същия елемент. Веднъж вътре в ядрото, неутронът може да се разпадне на протон и електрон в радиоактивен процес, наречен бета разпад. Това превръща атома в елемент, който е с един протон по-тежък. Хойл показа, че това може да се случи по два начина. Първият се нарича бавен процес на улавяне на неутрони (или s-процес). Той изисква само леко “капене” на неутрони. Хойл смята, че това може да се случи при умиращи звезди, наречени червени гиганти, и днес вече нямаме никакви съмнения, че това е вярно. Можем да наблюдаваме светлината от червени гиганти и да забележим характерните начини, по които различните елементи в звездата я поглъщат – и спектроскопските данни показват, че тези звезди наистина съдържат някои тежки елементи.

Но така не може да се произведе всеки един от по-тежките елементи. И така или иначе темпът е такъв: ядро, подложено на s-процеса, улавя неутрон само веднъж месечно.
Това не е достатъчно, за да обясни всички тежки елементи, които срещаме във Вселената.

Вторият механизъм на Хойл се нарича бърз процес на улавяне на неутрони (или r-процес). Тук атомите се заливат с неутрони и бързо нарастват до огромни размери.
След това те се разпадат радиоактивно в серия от по-леки, макар и все още тежки елементи. Смята се, че това трябва да е процесът, отговорен за образуването на по-голямата част от тежките елементи във Вселената, включително и златото.

Но откъде може да дойде необходимата достатъчно голяма приливна вълна от неутрони? 

Астрофизиците дълго вярваха, че отговорът трябва да бъде свръхнова – катаклизмична експлозия на звезда. Но през последните 20 години имаше признаци, че тази хипотеза не е наред. От една страна, започнахме да използваме компютри за симулиране на r-процеса по време на свръхнова и изобилието от различни елементи, произведени в тези симулации, не съвпадат с реални спектроскопски наблюдения на експлозиите.

След това има по-изненадващо доказателство. Земята понякога преминава през прахови петна, оставени от свръхнови; прахта се носи в нашата атмосфера и се утаява на дъното на океана и в антарктическия лед. Достатъчно лесно е да се потвърди произходът на тази прах, защото съдържа издайнически изотоп на желязото, създаден в свръхнови. Това, което не съдържа, е съществено количество злато – доста убедителен знак, че свръхновите не произвеждат този благороден метал.

Дори преди да се появят подобни доказателства, през 1974 г., Дейвид Шрам и Джеймс Латимър от Тексаския университет в Остин предположиха, че източникът на злато може да бъде различен космически катаклизъм.
Ако това, от което се нуждаем, за да направим тежки елементи, е много неутрони, тогава може би произходът им включва неутронни звезди? Това са невероятно плътни топки материя – предимно неутрони, както подсказва името – оставени след определени видове свръхнови.

Неутронните звезди често се образуват по двойки, след което се въртят една около друга, докато накрая се разбият в катаклизъм, наречен килонова. Приливът от неутрони, който се получава, според Шрам и Латимер, може да бъде достатъчен, за да даде тласък на r-процеса.

В началото на 2000-те Брайън Мецгер, сега в института Flatiron в Ню Йорк, беше завладян от идеята, че златото може да идва от килонови. Но той беше разочарован, че е имало много малко размисли върху това как можем да тестваме тази идея. Мецгер започна да се търси начини как да получи някои твърди данни. „Какво всъщност бихме могли да излезем и измерим с телескоп?“ се пита той.

 

 

R-процесът в рамките на килонова би включвал абсолютно масивна каскада от радиоактивен разпад и Мецгер осъзнава, че това ще доведе до характерно изригване на светлина в космоса. През 2010 г. той прогнозира интензитета на светлината от сливане на неутронни звезди, произвеждащи елементи.
Някои колеги от Калифорнийския университет в Бъркли разработиха това допълнително, за да покажат, че пламъкът ще започне от синьо, когато се образуват по-леки елементи, и след това ще премине към червено, при образуването на по-тежки елементи като златото. 

Тази така наречена крива на светлината би била ключовият момент, търсенето на който ще се окаже меко казано трудно. От време на време наблюдаваме подобно изглеждащи проблясъци в небето, но те обикновено са толкова далеч, че не можем да измерим кривата на светлината с никаква точност. Такъв случай имаше през 2013 г., когато космическият телескоп Хъбъл засече изблик от гама лъчи, за които се смята, че са причинени от килонова. В края на този взрив имаше обещаваща светлина, но беше твърде слаба, за да я сравним правилно с прогнозите на Мецгер.

 

Бучене и чуруликане

 

Междувременно други физици създават машини, които могат да наблюдават Вселената по съвсем различен начин. Лазерната интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория или LIGO има детектори, които могат да измерват гравитационни вълни. Това са вибрации в пространство-времето, причинени от мощни космически сблъсъци. 

През 2017 г. LIGO наблюдава ясния сигнал за сблъсък на две неутронни звезди: чу се „бучене“ с нарастваща честота, когато звездите се приближават по спирала, а след това „чуруликане“, когато се разбиват една в друга.

Това беше моментът, който Мецгер чакаше. Гравитационните вълни пристигнаха на Земята преди светлината от експлозията и физиците се опитаха да определят източника и да обучат оптични телескопи върху него, готови да проверят за синьо-червения сигнал на Мецгер.
Когато данните влязоха, изглеждаха точно, както се предполагаше. Килоновата беше избълвала вълна от екзотични елементи.
„За първи път в историята на човечеството директно видяхме синтеза на тези тежки елементи“, казва Мецгер.

Но имаше ли злато в тази експлозия?
Най-неоспоримото доказателство би било да се види характерният спектроскопичен отпечатък на елемента в светлината, излъчвана от килоновата. За съжаление отпечатъците на различните елементи се припокриват в наблюденията и не е възможно да се разграничат един от друг. Мецгер обаче вижда това като придирчивост.
„Когато създавате един от тези тежки елементи, са необходими много фина настройка, за да не се създаде цял спектър“, обяснява той.

Повечето физици сега са съгласни, че килоновите наистина създават злато. Но това не е краят на историята. Изглежда, че тези събития не са достатъчни, за да обяснят всички тежки елементи във Вселената.

Това стана ясно от изследванията на определени звезди в дифузния ореол, който покрива нашата галактика Млечен път. Смята се, че тези звезди са изключително стари, от епоха, когато почти никоя още не е умирала, независимо дали в свръхнови, килонови или по някакъв друг начин. Те не трябва да съдържат елементи на r-процес; ако тези елементи са създадени от килонови и нито един от тях не се е случил преди да се роди звездата, тогава тази звезда просто не може да има такива вътре в себе си. Странно обаче, малка група астрономи, наречена R-Process Alliance, която изследва тези звезди от 2018 г., показа, че някои от тях всъщност имат много елементи на r-процес. 

Това може да означава, че се случва нещо наистина странно, казва Тереза ​​Хансен от Texas A&M University, която е част от алианса. Ако звездите са толкова стари, колкото си мислим и няма грешка за тежките елементи, тогава нещо различно от килонова трябва да е създало тези елементи. Това сочи, че Вселената е била неузнаваемо различна по времето на първите звезди. Звездите са нарасвали много пъти по-големи от днес и са се разпростирали много по-бързо. Когато са стигнали до края на живота си, не е задължително да са избухвали в типична свръхнова. Някои може да са рухвали под колосалната си гравитация и да са изстрелвали невероятно мощни изблици на радиация. 

Тези събития, известни като колапси, са предположени за първи път през 1993 г. от Стан Уусли от Калифорнийския университет в Санта Круз.
„Колапсарите произвеждат епични ударни вълни“, казва астрофизичката Ема Чапман от Imperial College London. „В рамките на тази вълна се образуват по-тежки елементи покрай желязото, тъй като материалът се компресира до нива, далеч надвишаващи това, което звездата е постигнала в ядрото по време на живота си.”

Тогава може би златото идва отчасти от огнената гибел на първите звезди във Вселената.
Идеята е подкрепена от изследвания на Даниел Сийгъл от Университета на Гвелф в Канада. Той твърди, въз основа на данните от килонова от 2017 г. и теоретичната работа върху колапсите, че последните вероятно са доминиращият източник на елементи на r-процеса. Но Имре Бартош от Университета на Флорида и Саболч Марка от Колумбийския университет в Ню Йорк, изчислиха че колапсите вероятно не биха могли да осигурят повече от около 20% от елементите на r-процеса.

Сега знаем много повече за произхода на златото. Част от този най-желан метал е създаден в килонова, а повечето от него вероятно се е образувал по време на смъртта на първите звезди. Но дори тези два източника не могат да обяснят цялото злато във Вселената. Това е материал за размисъл за следващия път, когато видите някой да носи златни бижута. Наистина все още не знаем със сигурност откъде идва златото.

 

Източник: New Scientist
Превод: Радослав Тодоров

 


Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!



***

Включи се в списъка ни с имейли – получаваш броеве, статии, видеа и всичко, което правим за популяризирането на науката в България.  

Еднократен (Вечен) абонамент​​

Списание “Българска наука” излиза в PDF и ePub и може да се изтегли и чете от компютър, таблет и телефон. Достъпа до него става чрез абонамент, а възможността да се абонирате еднократно позволява да можете да достъпите всички бъдещи броеве без да се налага никога повече да плащате за списанието.