piątek, 31 lipca 2015

Skąd ten wodór?

Dzisiaj mam dla Was gościnny wpis od Adama Adamczyka, autora bloga Kwantowo na temat powszechności wodoru we Wszechświecie. Jeżeli jakkolwiek interesujecie się kosmosem, jego powstaniem, ewolucją, fizyką, astrofizyką, kosmologią to poza przeczytaniem tej notki, koniecznie zacznijcie regularnie odwiedzać blog Adama. W polskim Internecie ciekawszej strony o takich zagadnieniach nie znajdziecie.

kosmos
(źródło: Pixabay)

Aż osiem na dziesięć atomów jakie możemy spotkać we wszechświecie okazuje się wodorem. Nie ważne czy weźmiemy pod lupę gwiazdy, planety typu gazowy olbrzym czy luźną materię rozrzuconą po kosmicznej pustce – ich głównym składnikiem zawsze będzie ten sam pierwiastek.

Atmosfery planet skalistych podobnych do naszej Błękitnej Kropki należą do nielicznych wyjątków. Dla zobrazowania: przesiewając powietrze, na każdy złapany atom wodoru przypadnie prawie osiemset cząsteczek dwutlenku węgla. Nie trzeba jednak nikogo przekonywać, że nasz dom i światy jemu podobne to drobne ziarenko, które można bez wyrzutów sumienia pominąć przy kosmicznych szacunkach. Koniec końców Słońce stanowi 99,8% masy całego Układu Słonecznego, a 3/4 jego składu stanowi właśnie wodór. Bez ogródek możemy więc powiedzieć, że wodór to również podstawowy budulec naszego układu planetarnego.

Spoglądając na układ okresowy wszystko wydaje się klarowne. Pierwiastek figurujący na początku jest najmniej złożony, więc nic dziwnego, że wszędzie go pełno. Jednak fizycy uwielbiają tworzyć modele, bezwstydnie zaglądając naturze pod spódnicę. I tak, już od początku ubiegłego stulecia naukowcy skutecznie rozpracowywali mechanizmy, które ukształtowały ogólną strukturę chemiczną wszechświata. Publikacje polskiego astronoma Czesława Białobrzeskiego (nieelegancko zerżnięte przez sławnego Arthura Eddingtona) objaśniły budowę gwiazd, dając podstawy do przypuszczenia, że to właśnie w ich wnętrzach rodzą się nowe cegiełki materii. Istotnym epilogiem tego przedstawienia są, równie dramatyczne co majestatyczne, akty agonii gwiazd. Gdy najmasywniejsze z nich zapadają się pod własnym ciężarem dochodzi do efektownych eksplozji supernowych. Niesamowita energia towarzysząca temu zjawisku nie tylko prowadzi do powstania przepięknych mgławic, ale przede wszystkim do rozsiania w przestrzeni cięższych pierwiastków. To, że ta gwiezdna materia jest obecna także w naszych ciałach – chyba słusznie – zostało nazwane przez Neila Tysona „najbardziej zdumiewającym faktem na temat wszechświata”.


To jednak nie rozwiązuje problemu genezy wodoru. Przecież gwiazdy jedynie przerobiły istniejący już wcześniej wodór na inne pierwiastki. Wodór zatem musiał być tu obecny już gdy rozpoczynała się era gwiazdowa. Sprawę wziął na warsztat czcigodny tercet Alfa – Beta – Gamma, czyli Ralph Alpher, Hans Bethe i George Gamow. Astrofizycy uważali, że wodór towarzyszy wszechświatowi od samego początku. No, prawie samego.

Podstawowe pytanie brzmiało: jak wyglądał wszechświat w okresie pomiędzy dziewiczym błyskiem światła a sformowaniem pierwszego atomu. Uczeni wzięli sobie do serca mądrości dziadka Einsteina, wedle której grudka materii kryje w sobie ogromne ilości energii, zaś wielka ilość energii może utworzyć odrobinę materii. Obliczenia wskazują, że wystarczy 6 tys. K aby z fotonów wyłoniła się para elektron-pozyton. Wysokoenergetyczne (naprawdę wysoko) fotony promieniowania gamma rozgrzewające niemowlęcy wszechświat do kwintylionów stopni, niewątpliwie posiadały potencjał niezbędny do wykreowania dużej ilości cząstek materii i symetrycznie antymaterii.

Na marginesie. Spostrzeżenie, że wszystko o czym teraz mówimy miało miejsce w pierwszej sekundzie po wielkim wybuchu jest równie niedokładne co stwierdzenie, że Piramidę Cheopsa wzniesiono w kenozoiku. Procesy kształtujące niemowlęcy wszechświat charakteryzowały się niemożliwą do wyobrażenia dynamiką – należy pamiętać, że gigantyczne zmiany przynosiła każda maleńka część sekundy.

Zjawiska towarzyszące wielkiemu początkowi, w pewnym sensie były odwrotnością tego co obserwujemy sięgając po akceleratory cząstek elementarnych. Im trudniej wyodrębnić nam w LHC jakiś składnik rzeczywistości, tym wcześniej (prawdopodobnie) on powstał. I tak pierwszymi kluskami w kosmicznej zupie musiały być – dotąd nie zaobserwowane w stanie wolnym – kwarki, które dopiero po upływie miliardowej części sekundy zaczęły grupować się w struktury zwane hadronami, dumnie reprezentowane przez dobrze nam znane protony i neutrony. Gdy wybiła milionowa część sekundy do gry wkroczyła nie mniej istotna rodzina leptonów, na czele z równie niezbędnymi elektronami. Na tym etapie istniały więc już wszystkie komponenty otaczającej nas materii, były one jednak wciąż zbyt gęsto upakowane i rozpalone do niebotycznej temperatury rzędu kilku bilionów stopni, aby utworzyć jakiekolwiek atomy. Co gorsza, w międzyczasie doszło do oszałamiającej batalii między świeżymi cząstkami i antycząstkami. Hadrony atakowały antyhandrony a elektrony pozytony tocząc bój, który musiał skończyć się katastrofą dla jednej ze stron. Wasze ciała są żywym dowodem na to, że w tej dziejowej rywalizacji zwyciężyła materia, jednak ogromne ilości cząstek (jakieś 99,9999999%) zginęła w bezlitosnym procesie anihilacji, czemu towarzyszył zwrot wysokoenergetycznych fotonów. W naturze nic nie ginie.

Ocalała jakaś miliardowa część protonów, neutronów i elektronów. Dopiero po kilkunastu sekundach – a to bardzo długo w omawianej skali – wszechświat ochłodził się na tyle aby doszło do integracji między nukleonami i narodzin jąder atomowych helu i czasem izotopów wodoru. Zadecydował swoisty dobór naturalny: bardziej skomplikowane jądra z zasady nie potrafiły zachować stabilności w obliczu temperatury po stokroć przebijającej ciepłotę wnętrza Słońca. Co ciekawe, swobodnie fruwające neutrony będące w porównaniu do protonów bardzo nietrwałe, zaczęły szybko znikać. Na 87 protonów przypadało już tylko 13 neutronów. Oczywiście deficyt podstawowego składnika większości jąder atomów (w tym helu!) nie pozostał bez wpływu na dalszą ewolucję wszechświata.

Dla atomów wciąż było zbyt gorąco i gęsto: nawet po upływie pół godziny i rozrośnięciu się wszechświata do astronomicznych wielkości lat świetlnych, wciąż szczelnie wypełniała go materia o konsystencji wody, o temperaturze niecałego pół miliarda K. Potrzeba będzie około 300 tysięcy lat (!) i obniżenia temperatury do mniej niż 3 tys. K, aby elektrony wdały się w taniec z protonami zapoczątkowując hurtową produkcję niewyobrażalnych ilości wodoru. Proporcje cząstek subatomowych – zwłaszcza mniejsza liczba neutronów – z grubsza zadecydowały o składzie materii wszechświata, złożonej początkowo z około 78% wodoru i 22% helu – surowców koniecznych do zlepienia w przyszłości pierwszej generacji gwiazd. Warto również dodać, że dopiero po wychwyceniu przez nukleony wolnych elektronów, światło mogło po raz pierwszy bez przeszkód wystrzelić w przestrzeń. Prastare fotony, niosące niegdyś promieniowanie gamma, z czasem traciły impet zmieniając się w ledwie odczuwalne mikrofale, do dziś wypełniające całą przestrzeń.

Jak potoczyły się dalej losy wodoru? Chmury gazów przez pod wpływem grawitacji koncentrowały się punktach aby po jakiś stu milionach lat zapłonąć jako pierwsze gwiazdy. Niewątpliwie były one znacznie większe od dzisiejszych i umierały młodo, rozrzucając wokół siebie pierwsze porcje cięższych pierwiastków. Prawdopodobnie nasze Słońce należy do drugiej generacji gwiazd, powstałych wraz z obiegającymi go planetami, na bazie materii usmażonej w jądrze spuchniętego czerwonego olbrzyma, który eksplodował ponad pięć miliardów lat temu.

Gościnnie, z kwantowym pozdrowieniem
Adam Adamczyk

5 komentarzy:

  1. Lubię takie wywody na temat Wszechświata, bo przecież jest mnóstwo ludzi, którzy nie znają żadnej naukowej teorii i wierzą, że Wszechświat stworzył Bóg w sześć dni.
    Toleruję jedynie pieśń- hymn Jana Kochanowskiego zaczynającą się od słów: "Czego chcesz od na, Panie, za Twe hojne dary", bo jest wzruszająca.
    Serdecznie pozdrawiam.

    OdpowiedzUsuń
  2. Bardzo fajnie napisane! ;) Lubie tematykę kosmosu, ale czasami teksty są dla mnie mało przystępne, ten jest świetny ;)

    OdpowiedzUsuń
  3. U Ciebie zawsze dowiem się coś nowego, albo nie nowego, ale dawno zapomnianego :)

    OdpowiedzUsuń
  4. "Co gorsza, w międzyczasie doszło do oszałamiającej batalii między świeżymi cząstkami i antycząstkami. Hadrony atakowały antyhandrony a elektrony pozytony tocząc bój, który musiał skończyć się katastrofą dla jednej ze stron. Wasze ciała są żywym dowodem na to, że w tej dziejowej rywalizacji zwyciężyła materia, jednak ogromne ilości cząstek (jakieś 99,9999999%) zginęła w bezlitosnym procesie anihilacji, czemu towarzyszył zwrot wysokoenergetycznych fotonów." -
    I tu "zaczynają się schody" bo nawet Hawking uciekać się musie do twierdzeń iż ta asymetria wynikała z immanentnych prawa grawitacji... przy czym nie wykazuje skąd się wzięła grawitacja i jej "immanentne" rzekomo prawa.

    ale ogólnie cały wpis niezły i stosunkowo prosto napisany - porównanie "pierwszej sekundy" do kenozoiku na granicy geniuszu!

    OdpowiedzUsuń