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

Życie powstało 10 mld lat temu - tak wynika z prawa Moore'a

Jeśli ewolucja życia odpowiada prawu Moore'a, to życie musiało zaistnieć zanim powstała Ziemia. Tak przynajmniej wynika z wyliczeń genetyków - Alexeia Sharova i Richarda Gordona.

Prawo Moore'a, jak sama nazwa wskazuje, zostało zdefiniowane przez założyciela firmy Intel, Gordona Moore'a, który zauważył, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 12 miesięcy. W związku z tym, liczba tranzystorów w mikrochipach rośnie w sposób wykładniczy. Co ciekawe, obserwacji tych dokonał już w połowie lat 60-tych, a sama prawidłowość została przeniesiona także na inne urządzenia elektroniczne. Szczególnie na pojemność dysków czy wielkość pamięci operacyjnej. Zmianie ulegał jedynie czas potrzebny do podwojenia. Obecnie, wynosi podobno 24 miesiące.
Dociekliwym polecam wyliczenie czasu powstania pierwszego mikrochipu na podstawie liczby tranzystorów obecnych we współczesnych układach scalonych. Powinno wyjść ok. 1960 roku, czyli właśnie wtedy, kiedy powstał pierwszy układ scalony.

Prawo Moore'a - liczba tranzystorów w czasie. Ponieważ skala na osi pionowej jest logarytmiczna, korelacja jest liniowa a nie wykładnicza (fig. Wgsimon BY-SA)

Powyższe prawo Moore'a zostało zaadoptowane do wyliczenia początków tworzenia się biologicznej złożoności. Sharov i Gordon wyliczyli, że genetyczna złożoność organizmów podwaja się co 376 mln lat. Umieścili to na wykresie, gdzie złożoność genetyczna przedstawiona jest w skali logarytmicznej. Linia korelacji (regresji) genetycznej złożoności przecina się z osią czasu ok. 9,7 mld lat temu. Zatem, to byłby czas powstania pierwszej pary nukleotydów czyli powstania życia (samoreplikujących się cząsteczek).

Linia regresji dla głównych form życia na Ziemi przecina się z osią czasu na liczbie 9,7 mld (fig. Sharov & Gordon, 2013).

Gdyby to była prawda, to okazuje się, że potrzeba było 5 mld lat do powstania komórek o bakteryjnym stopniu skomplikowania genetycznego. Ponadto, środowisko powstania życia było zupełnie różne od ziemskiego (Ziemia powstanie dopiero za 5 mld lat przecież). Ale jeszcze ciekawsze jest to, że przed bakteriami znanymi z ziemskich osadów prekambru nie było w naszym Wszechświecie innych, bardziej złożonych form życia. Tym bardziej inteligentnych istot, które mogłyby odwiedzić młodą Ziemię i "zaszczepić" na niej życie.

Przy okazji autorzy rozprawiają się także z równaniem Drake'a, które wyliczało prawdopodobną liczbę cywilizacji technologicznych w naszej Galaktyce. Takie cywilizacje po prostu dopiero powstają, podobnie do ziemskiej. Jednocześnie, w takich cywilizacjach możemy zaobserwować przyspieszanie złożoności poprzez dodanie systemów opracowywania informacji, np. książki, komputery czy internet. W rezultacie postęp technologiczny umożliwia podwajanie złożoności co ok. 20 lat.

No i powraca oczywiście teoria panspermii, tym razem w nowej odsłonie.

Źródła:
Alexei A. Sharov, & Richard Gordon (2013). Life Before Earth arXiv arXiv: 1304.3381v1
fot. w nagłówku Photo Credit: jurvetson via Compfight cc

Czytaj więcej

Ann E. Hodges i jej małżeństwo - ofiary meteorytu

Niedawny deszcz meteorów nad okolicami Czelabińska w Rosji spowodował zainteresowanie zagrożeniem jakie dla człowieka niosą tego typu zjawiska. Onet.pl grzmi, że Europa powinna chronić mieszkańców przed niebezpieczeństwami z kosmosu. Z informacji podawanych w mediach wynika, że liczba rannych w Rosji przekroczyła już 1000. Jeśli jednak wczytamy się dokładnie w te doniesienia zauważymy, że to głównie osoby poranione kawałkami szkła z okien rozbitych przez falę uderzeniową po eksplozji meteoru w atmosferze ziemskiej. Jakie zatem jest prawdopodobieństwo, że meteoryt trafi prosto w człowieka, np. w biodro?

Prawdopodobieństwo jest niewielkie, a nawet bardzo niewielkie. Nie wiem, jak to dokładnie wyliczyć i podać liczbowo, ale myślę, że nikt z nas nie oberwie meteorytem. Jestem nawet pewien. No chyba, że złośliwy kolega lub koleżanka akurat będą mieli meteoryt w ręce i w nas rzucą. Ale tak z nieba, to nie, nie spadnie na nas. Skąd ta pewność?

Klip wyjaśniający jakie jest prawdopodobieństwo upadku meteorytu

Z dotychczasowych obserwacji. Jak na razie, jedyną, w pełni udokumentowaną ofiarą bezpośredniego uderzenia meteorytu była Ann Elizabeth Hodges. 30 listopada 1954 roku pani Hodges leżała sobie na sofie w wynajętym mieszkaniu w Alabamie (USA), kiedy przez dach wpadł do pokoju meteoryt wielkości dużego jabłka, odbił się od drewnianego pudła radia i uderzył ją w biodro i udo. Meteoryt, nazwany później Hodges, ważył niecałe 4 kg i zaliczony został ostatecznie do grupy dość powszechnych meteorytów oliwinowo-bronzytowych.

Meteoryt Hodges i radio, od którego się odbił
(fot. Muzeum Historii Naturalnej w Alabamie)

Cała historia ma swój dalszy ciąg. Lata 50-te to czas zimnej wojny i przedmiot, który spadł z nieba i ranił obywatela amerykańskiego nie mógł umknać uwadze armii amerykańskiej. Armia wysłała po niego helikopter, podejrzewając, że to jakaś nowa broń komunistów. Kiedy pani Hodges, ranna w biodro, leżała w szpitalu a meteoryt w sejfie US Air Force, w sądach rozpoczęła się batalia o to, do kogo meteoryt należy.

Niespodziewanie prawo do meteorytu zaczęła rościć sobie Birdie Guy, właścicielka, od której państwo Hodges wynajmowali mieszkanie. Jednak pani Ann E. Hodges była pewna, że meteoryt jest jej. Twierdziła: "To Bóg przeznaczył go dla mnie. Poza tym, to w końcu we mnie uderzył!". Prawnicy, wobec braku kontaktu z Bogiem, orzekli, że zgodnie z prawem meteoryt należy do właścicielki posesji - wdowy Birdie Guy. Jednak opinia publiczna była innego zdania i w końcu, pod jej naciskiem, meteoryt wylądował z powrotem w ramionach pani Hodges. Najbardziej ucieszył się z tego mąż pani Hodges - Eugene, który postanowił sprzedać obiekt za, bodajże, $ 5500. Nie znalazł się jednak nabywca i transakcja nie doszła do skutku a meteoryt dwa lata później przekazany został do muzeum historii naturalnej w Alabamie.

Ann Hodges i dziura, przez którą wpadł meteoryt
(fot. Muzeum Historii Naturalnej w Alabamie)

Meteoryt nie przyniósł rodzinie Hodges nie tylko pieniędzy, ale i szczęścia. Małżeństwo rozpadło się w 1964 roku, a Eugene twierdził, że żona od czasu wypadku nigdy już nie była taka sama. Cóż, można powiedzieć, że była bardzo wyjątkowa, jedyna. Albo prawie jedyna.

Jest bowiem jeszcze kilka innych doniesień o bezpośrednich uderzeniach meteorytów w istoty żyjące na Ziemi. Podobno już w starożytnych Chinach takie rzeczy się zdarzały. Z kolei, w 1911 roku, w Egipcie, meteoryt Nakhla zabił psa. Pod wpływem uderzenia pies wyparował, więc nie udało się tego sprawdzić. Kroniki donoszą również, że w 1677 roku jakiś włoski zakonik zginął od uderzenia meteorytu (no comments). W 1992 roku, niewielki (~3 g) meteoryt uderzył ugandyjskiego chłopca, podobno. Nie zrobił mu jednak żadnej krzywdy, bo wcześniej odbił się od gałęzi (nie pamiętam skąd to wziąłem). A w 2009 roku Gerrit Blank, niemiecki 14-latek stwierdził, że jego także uderzył meteoryt. Ponieważ było to w drodze do szkoły, nauczyciele i rodzice nie dali mu wiary i postarali się udowodnić chłopcu, że historia jest zmyślona i do szkoły nie wolno się spóźniać. Udało im się.

Nie wiem, jaki jest morał z całej tej historii. Być może, gdyby Eugene Hodges chciał mniej za meteoryt, ich małżeństwo by się nie rozpadło?

Źródła:
The Day the Meteorite Fell in Sylacauga – By John C. Hall, 14 pp, illus., 2010. [link]

Fotografia w nagłówku: Toby Keller / Burnblue via Compfight cc

Czytaj więcej

Co na Ziemię przyniosły meteoryty?

Wiemy już ile jest wody na Ziemi, ale problem pojawienia się wody na Ziemi co pewien czas powraca na naukową wokandę. Do tej pory, za główne źródło wody uważano komety. Ostatnie badania wskazują jednak, że woda może pochodzić z meteorytów.

Słabością teorii wody z komet była niezgodność składu izotopowego pomiędzy wodą ziemską a wodorem uwięzionym w lodzie wodnym jądra komety. Tym tropem poszli badacze, którzy postanowili przeanalizować ilość ciężkiego izotopu wodoru (deuteru) w stosunku do zawartego w meteorytach z grupy meteorytów kamiennych tzw. chondrytów. Do analizy wzięto 86 próbek pochodzących z chondrytów węglistych.

Z dotychczasowych ustaleń wynika, że im dalej od Słońca tworzył się obiekt w Układzie Słonecznym, tym jest bogatszy w deuter. Okazało się, że analizowane chondryty zawierają znacznie mniej deuteru niż lód w kometach. Znaczy to mniej więcej tyle, że powstały znacznie bliżej Słońca niż komety. Nie jest to wielkie zaskoczenie, gdyż już od dawna podejrzewano, że większość meteorytów pochodzi z pasa planetoid, który rozciąga się pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza.

Kratery na Księżycu widoczne dzisiaj z Ziemi gołym okiem są efektem wielkiego bombardowania młodego Księżyca (po prawej) (rys. Timwether CC-BY-SA)

Co prawda, początki tworzenia się Ziemi i wody na niej sięgają ponad 4 miliardów lat wstecz, więc trudno wyobrazić nam sobie ówczesny Układ Słoneczny. Jednak chondryty węgliste powstały raczej bliżej niż dalej od Słońca, w pobliżu planet typu ziemskiego. Całość wydarzyła się w epoce zwanej wielkim bombardowaniem (ok. 4 mld lat temu), kiedy w młodym Układzie Słonecznym dochodziło do częstych kolizji planetzymali czy też protoplanet. Przez okres ok. 200 mln lat w Ziemię mogło uderzyć naprawdę sporo chondrytów, i to dużych rozmiarów, które dostarczyły mnóstwa składników lotnych. Oprócz wodoru przyniosły one na Ziemię także azot i węgiel, a być może także proste związki organiczne, które stały się zalążkiem życia. Alexander wraz zespołem (2012) twierdzą, że chondryty węgliste były głównym źródłem składników lotnych tworzącej się Ziemi (Alexander et al., 2012). 

Źródła:
C. M. O’D. Alexander, R. Bowden, M. L. Fogel, K. T. Howard, C. D. K. Herd, L. R. Nittler (2012). The Provenances of Asteroids, and Their Contributions to the Volatile Inventories of the Terrestrial Planets Science DOI: 10.1126/science.1223474

Fot. w nagłówku: Meteoryt węglisty NWA 3118 (zgład). Autor: Mario Müller (CC-BY-SA-3.0-DE)

Czytaj więcej