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

 

Najnowsze wpisy

`

7 myśli w temacie “Skąd ten wodór?

  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.

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

  3. "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!

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *