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