Skąd się wzięło złoto na Ziemi?

Przez wiele lat obowiązywała teoria, że ciężkie pierwiastki takie jak złoto, platyna, ołów czy uran powstały w eksplozji gwiazdy typu supernowa. Ostatnio jednak pojawił się pogląd, że miejsce narodzin tych cennych pierwiastków jest bardziej ekstremalne. Złoto mogło powstać w efekcie kolizji dwóch ultragęstych obiektów typu gwiazdy neutronowe.

Od strony lirycznej temat gwiezdnego pyłu, z którego powstaliśmy, jest już bardzo mocno wyeksploatowany przez artystów czy poetów. Że nie wspomnę o "z prochu powstałeś....". Tak, to prawda, wszystkie pierwiastki, występujące na Ziemi powstały znacznie wcześniej, w różnych etapach ewolucji Wszechświata. Węgiel i tlen, z których jesteśmy w większości zbudowani, pochodzi z wnętrz gwiazd, gdzie panowały duże temperatury i wysokie ciśnienia jako efekt spalania gwiezdnego wodoru. Pierwiastki te zostały wyrzucone w przestrzeń kosmiczną podczas eksplozji kończącej życie gwiazdy - eksplozji supernowej.

Astrofizycy mieli jednak wątpliwości, czy eksplozje supernowych są w stanie wytworzyć warunki potrzebne do powstania ciężkich pierwiastków, takich jak złoto, które ma 79 protonów, 79 elektronów i 118 neutronów. Czyli całkiem sporo jak na jeden atom. Większość pierwiastków jest znacznie lżejsza i prawdę mówiąc, złoto i platyna to takie kosmiczne ekstrawagancje.

Wyjaśnienia powstania ciężkich pierwiastków mogą dostarczyć gwiazdy neutronowe, które same są wytworem eksplozji supernowej lub kolapsu gwiazd typu biały krzeł. Gwiazdy neutronowe nie są duże, natomiast są niezwykle gęste. Podobno łyżeczka materii gwiazdy neutronowej waży 6 miliardów ton. Tak niezwykła gęstość powoduje, że atomy pierwiastków nie są w stanie utrzymać swojej struktury i wskutek grawitacji gwiazdy neutronowej następuje ich kolaps. Materia we wnetrzu gwiazdy neutronowej wygląda jak ośrodek składający się głównie z neutronów (stąd nazwa).

Porównanie wielkości gwiazdy neutronowej i Manhattanu (źr. NASA)

Gwiazdy neutronowe mogą występować parami jako pozostałość po układach gwiazd podwójnych. W takim układzie krążą one wokół wspólnego punktu, zbliżając się do siebie z biegiem czasu. Kończy się to wszystko wielką kolizją. Jak wyliczono, tego typu kolizje w układzie gwiazd neutronowych podwójnych zdarzają się raz na 100 tysięcy lat w galaktykach podobnych do naszej Drogi Mlecznej.

Trzeba zatem mieć szczęście, żeby zaobserwować na niebie taką właśnie eksplozję. Takie szczęście przydarzyło się 3 czerwca 2013, gdy teleskopy NASA zauważyły w gwiazdozbiorze Lwa krótki rozbłysk promieni gamma (ang. gamma-ray burst). W to miejsce zwrócono czym prędzej teleskopy w Chile i teleskop Hubble'a. Udało się wtedy zobaczyć poświatę po rozbłysku gamma. Porównano ją z modelami i okazało się, że zaobserwowano chmurę składającą się z dużej liczby ciężkich pierwiastków, utworzonych właśnie podczas wcześniejszej kolizji (Berger et al. 2013).

Rozbłyski gamma są bardzo krótkie. Omawiany, odległy od nas o prawie 4 mld lat świetlnych, trwał zaledwie 0.2 sekundy. W takim rozbłysku światło bardzo szybko potrafi przyćmić całą galaktykę. Po raz pierwszy udało się bezpośrednio wykazać, że za takie rozbłyski odpowiadają kolizje gwiazd neutronowych. Scenariusz takiej kolizji wygląda w ten sposób, że większość materii gwiazd neutronowych zapada się tworząc czarną dziurę, a tylko części udaje się wydostać w przestrzeń kosmiczną. To właśnie powoduje rozbłysk gamma.

Materia, która wydostała się spod grawitacji czarnej dziury powstałej podczas kolizji gwiazd neutronowych jest bardzo bogata w neutrony i stąd stosunkowo łatwo dochodzi w niej do tworzenia się pierwiastków ciężkich, tak jak np. złoto. Podczas kolizji dwóch gwiazd neutronowych może utworzyć się tyle złota ile 10 mas Księżyca (wg niektórych jeszcze więcej). Wg cen rynkowych wartość tego złota wynosi ok. 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 $.

Co ciekawe, platyny powstało podobno siedem razy więcej niż złota. W ogóle, podczas takich kolizji powstają prawie wszystkie pierwiastki z tablicy Mendelejewa.

Obecnie większość złota na Ziemi skoncetrowana jest wskutek grawitacji w pobliżu jądra Ziemi. To co udaje nam się znaleźć na powierzchni pochodzi z okresu tzw. wielkiego bombardowania Ziemi meteorytami, który rozpoczął się jakieś 200 mln lat po uformowaniu się planety (Willbold et al., 2011).

Źródła:
E. Berger, W. Fong, & R. Chornock (2013). Smoking Gun or Smoldering Embers? A Possible r-process Kilonova Associated with the Short-Hard GRB 130603B arXiv DOI: arXiv:1306.3960  

Matthias Willbold, Tim Elliott, & Stephen Moorbath (2011). The tungsten isotopic composition of the Earth’s mantle before the terminal bombardment Nature, 477, 195-198 DOI: 10.1038/nature10399

Fot. w nagłówku: NASA 

Czytaj więcej

Sikać czy nie sikać do morza?

Tytułowy dylemat wydawać się może bardzo przyziemny, ale wpisuje się w letnią kanikułę i, od razu dodam, pomoże zrzucić niektórym plażowiczom kamień z serca. Otóż, można sikać. Szczególnie do oceanu. Chyba, że ma się zapalenie pęcherza moczowego, wtedy nie. Symptomatyczne jest to, że sprawą zajęła się niejaka Lauren Wolf, redaktorka Chemical & Engineering News, która z właściwą Amerykankom śmiałością, przyznaje, że sika do oceanu od dziecka. Tegoroczny pobyt nad morzem w części poświęciła problemowi urynacji turystycznej. Oto co Lauren wykoncypowała.

Mocz jest płynem dzięki któremu organizm pozbywa się niepożądanych składników chemicznych. Nie oznacza to jednak, że uryna jest trująca dla kogokolwiek. Przeciętna ludzka uryna składa się w 95% z wody i zawiera jedynie 1-2 g/l jonów sodu i chloru. Słowem, taka słona woda. Z grubsza odpowiada to składowi wody morskiej, która składa się z około 96.5% wody, jest jednak znacznie bardziej nasycona jonami sodu (11 g/l) oraz chloru (19 g/l). Kolejnym jonem występującym w moczu i wodzie morskiej jest potas, którego stężenie w urynie sięga 0.75 g/l a w wodzie morskiej 0.4 g/l. Różnica, jak widać, nie jest zbyt duża. Z tego też względu picie moczu i wody morskiej w obu przypadkach prowadzi do odwodnienia - nie polecam.
To co różni mocz od wody morskiej, to obecność kreatyniny i mocznika. Oba składniki są efektem metabolizmu komórek człowieka a chemicznie stanowią związki azotu. Stężenie kreatyniny w moczu średnio wynosi 0.7 g/l. Mocznik jest bardziej stężony, dochodzi do 9 g/l.

Z powyższego zestawienia widać, że jedynie związki azotu stanowią pewien problem, gdyż podaż azotu w moczniku może powodować wzrost produkcji bakteryjnej czy glonowej w wodzie zasilanej uryną (powstaje jon amonowy). Oczywiście, roztwory azotu obecne są również w wodzie morskiej, chodzi jedynie o ich różne stężenie w obu płynach.

Tak daleko trzeba iść... (Photo Credit: Sistak via Compfight cc)

Tu należy zestawić objętość oceanu i porcji moczu przeciętnego człowieka - uważa Lauren Wolf. Być może zauważyliście, że przeciętnie, w jednorazowym akcie wydalamy od 0.2 do 0.5 litra moczu. Zatem, w takiej porcji jest ok. 3 gram mocznika. I teraz: gdyby 7 miliardów ludzi na Ziemi jednocześnie nasikało do Oceanu Atlantyckiego otrzymalibyśmy stężenie mocznika w wodzie atlantyckiej rzędu 6 x 10^-11 g/l (objętość Atlantyku to 3.5 x 10²⁰ litra). Czytelnicy o zacięciu chemicznym zauważą, że takie stężenie mocznika mierzy się w kategoriach pikomoli. Czyli - bardzo malutkie stężenie wyszłoby, niezauważalne niemal.

Sceptycy zakrzykną - sorry, ale trzeba byłoby od razu wymieszać całą wodę Atlantyku z uryną, a przecież w rzeczywistości trwa to bardzo długo. Zwolennicy sikania zauważą jednak, że to tylko jeden ocean, a gdzie reszta? Poza tym, trudno byłoby zgromadzić wszystkich ludzi na Ziemi aby na komendę nasikali. Możliwość czysto teoretyczna. Nawet nie wiem, czy 7 miliardów ludzi zmieściłoby się nad brzegiem Atlantyku.

Wieloryby sikają do morza, nie mają wyboru (Photo Credit: 路上写真家 via Compfight cc)

Idźmy zatem dalej. Nie tylko ludzie sikają do morza. Sikają tam również zwierzęta, szczególnie morskie, które siłą rzeczy nie sikają nigdzie indziej. Wyjątkiem są rekiny i płaszczki, które nie sikają w ogóle. Nie bawiąc się w drobiazgi, przyjrzyjmy się wielorybom. Dorosły osobnik wydala dziennie około 1000 litrów moczu, inaczej mówiąc, 23 razy więcej jonów sodu i chloru niż człowiek. Mocz wieloryba zawiera także mocznik, który stanowi jedno z ogniw obiegu azotu w oceanach. Bez tego naturalnego nawozu, pierwotna produkcja organiczna w oceanach byłaby bardzo niska.

Kolejna rzecz dotycząca uryny, to jej sterylność. Zależność jest prosta - zdrowy człowiek ma sterylny mocz. Jedynie przy zapaleniu pęcherza moczowego, wraz z moczem wydalamy bakterie. W pozostałych wypadkach, do morza nie dostaną się żadne nowe bakterie. Jedynie wspomniane wyżej związki chemiczne, które stanowią pożywkę dla bakterii obecnych już wcześniej w wodzie.

Konkluzja Lauren Wolf jest zatem taka - Drodzy Plażowicze, sikajcie do morza, chyba, że macie zapalenie pęcherza moczowego. Starajcie się też jak najszybciej wymieszać urynę z wodą morską, aby stężenie mocznika nie powodowało szybkiego wzrostu bakterii. To stężenie jest właśnie powodem dla którego stanowczo odradzam sikania do małych zbiorników wodnych typu staw, bajorko w Kryspinowie czy doniczka.

Źródła:
fot w nagłówku: Photo Credit: omefrans via Compfight cc

Czytaj więcej