Skąd tyle złota w znanym nam Wszechświecie?
Ponieważ Ziemia była stopiona w czasie, gdy się formowała, niemal całe złoto obecne w tamtym okresie w naszej planecie prawdopodobnie zatonęło w jądrze planety. W związku z tym zakłada się, iż większość złota znajdującego się w skorupie ziemskiej i płaszczu została dostarczona na Ziemię później, przez uderzenia asteroid podczas późnego ciężkiego bombardowania, około 4 miliardów lat temu.
Na przykład złoża złota w basenie Witwatersrand w RPA, najbogatszym znanym zasobie złota na Ziemi, przypisywano meteorytowi, który utworzył krater Vredefort 2,02 mld lat temu. Jednak ten scenariusz jest obecnie kwestionowany. Złotonośne skały Witwatersrand (1) zostały ułożone między 700 a 950 milionów lat przed uderzeniem meteorytu Vredeforta. Tak czy inaczej był to prawdopodobnie inny impakt z zewnątrz. Nawet jeśli przyjąć, że złoto, które znajdujemy w skorupy, pochodzi z wnętrza, to też musiało się skądś wziąć w obłoku pierwotnym, z którego formowała się Ziemia.
Więc skąd pierwotnie pochodzi całe to nasze i nie nasze złoto? Istnieje kilka innych teorii, uwzględniających eksplozje supernowych tak intensywne, że powodują wywrócenie gwiazdy na drugą stronę. Niestety, nawet tak dziwne zjawiska nie wyjaśniają problemu.
Złoto jest pierwiastkiem, co znaczy, że nie da się go wytworzyć przez zwykłe reakcje chemiczne - choć alchemicy wieki temu próbowali. Aby uzyskać lśniący metal, trzeba związać siedemdziesiąt dziewięć protonów i od 90 do 126 neutronów ze sobą, tworząc jednolite jądro atomowe. To jest intensywna reakcja syntezy termojądrowej. Fuzja taka nie zachodzi na tyle często, a przynajmniej nie w naszym najbliższym kosmicznym sąsiedztwie, aby jej działaniem wyjaśnić to gigantyczne bogactwo złota, które znajdujemy na Ziemi i w innych zakątkach Układu Słonecznego. Nowe badania wykazały, że najbardziej rozpowszechnione teorie dotyczące pochodzenia złota, czyli kolizje gwiazd neutronowych (2), również nie dają wyczerpującej odpowiedzi na pytanie o jego obfitość.
Złoto wpadłoby do czarnej dziury
Obecnie wiadomo, że najcięższe pierwiastki powstają, gdy jądra atomów w gwiazdach przechwytują cząsteczki zwane neutronami. Dla większości starych gwiazd, włącznie z tymi znajdującymi się w galaktykach karłowatych z tego badania, proces zachodzi szybko i dlatego nazywany jest "procesem r", gdzie "r" oznacza "szybki" (ang. rapid). Istnieją dwa wyróżnione miejsca, w których teoretycznie zachodzi proces r. Pierwszym potencjalnym miejscem jest wybuch supernowej, która wytwarza duże pola magnetyczne - magnetorotacyjna supernowa. Drugie to łączące się lub zderzające dwie gwiazdy neutronowe.
Aby przyjrzeć się produkcji ciężkich pierwiastków w galaktykach jako całości, naukowcy z Caltech zbadali w ostatnich latach kilka pobliskich galaktyk karłowatych za pomocą teleskopu Kecka znajdującego się na Mauna Kea na Hawajach. Chcieli mieć wgląd w to, kiedy i jak powstały najcięższe pierwiastki w galaktykach. Wyniki tych badań dostarczają nowych dowodów na tezę, że dominujące źródła procesu r w galaktykach karłowatych występują w stosunkowo długich skalach czasowych. To znaczy, że ciężkie pierwiastki zostały stworzone później w historii Wszechświata. Ponieważ zakłada się, że supernowe magnetorotacyjne to zjawisko wcześniejszego Wszechświata, opóźnienie w produkcji ciężkich pierwiastków identyfikuje zderzenia się gwiazd neutronowych jako ich główne źródło.
Spektroskopowe sygnatury ciężkich pierwiastków, w tym złota, zostały zaobserwowane w sierpniu 2017 r. przez obserwatoria elektromagnetyczne w zdarzeniu fuzji gwiazd neutronowych GW170817, po tym jak detektory fal grawitacyjnych potwierdziły to zdarzenie jako fuzję gwiazd neutronowych. Obecne modele astrofizyczne sugerują, że pojedyncze zdarzenie fuzji gwiazd neutronowych generuje od 3 do 13 mas złota większych niż całe złoto Ziemi.
Zderzenia gwiazd neutronowych tworzą złoto, gdyż prowadzą do łączenia protonów i neutronów w jądra atomowe, a następnie wyrzucania powstałych ciężkich jąder w przestrzeń kosmiczną. Podobne procesy, które w dodatku zapewniałyby odpowiednią ilość złota, mogłyby zachodzić w wybuchach supernowych. "Jednak gwiazdy wystarczająco masywne, aby wytworzyć w takiej erupcji złoto, stają się czarnymi dziurami", wyjaśniała serwisowi LiveScience Chiaki Kobayashi (3), astrofizyczka z uniwersytetu w Hertfordshire w Wielkiej Brytanii i główna autorka najnowszych badań na ten temat. Zatem, w zwykłej supernowej, złoto, nawet jeśli powstanie, to zostaje wessane do czarnej dziury.
A co z tymi dziwnymi, nicującymi gwiazdy supernowymi? Ten rodzaj eksplozji gwiazd, tak zwana supernowa magnetorotacyjna, jest bardzo rzadką supernową. Umierająca gwiazda wiruje w niej tak szybko i jest otoczona tak silnym polem magnetycznym, że samoczynnie wywraca się na zewnątrz podczas eksplozji. Kiedy umiera, gwiazda wystrzeliwuje białe, gorące strumienie materii w przestrzeń. Ponieważ gwiazda została wywrócona "na lewą stronę", jej dżety są pełne jąder złota. Już gwiazdy, które tworzą złoto, są rzadkim przypadkiem. Gwiazdy, które tworzą złoto i wyrzucają je w przestrzeń kosmiczną, są jeszcze rzadsze.
Według naukowców jednak, nawet zderzające się gwiazdy neutronowe i magnetorotacyjne supernowe nie wyjaśniają, skąd wzięła się taka obfitość złota na naszej planecie. "Fuzje gwiazd neutronowych to za mało", mówi Kobayashi. "I niestety nawet po dodaniu tego drugiego potencjalnego źródła złota, ten rachunek się nie zgadza".
Trudno jest dokładnie oszacować, jak często niewielkie gwiazdy neutronowe, będące bardzo gęstymi pozostałościami dawnych supernowych, zderzają się ze sobą. Ale raczej nie jest to zbyt częste zjawisko. Naukowcy do tej pory zaobserwowali to tylko raz. Szacunki pokazują, że nie kolidują one wystarczająco często, aby wyprodukować złoto znajdujące się w Układzie Słonecznym. Takie są wnioski pani Kobayashi i jej współpracowników, które opublikowali we wrześniu 2020 r. w czasopiśmie "The Astrophysical Journal". Nie są one zresztą pierwszymi takimi wnioskami naukowców, ale jego zespół zebrał rekordowo dużo danych badawczych.
Co ciekawe, autorzy dość dokładnie wyjaśniają występujące we Wszechświecie ilości pierwiastków lżejszych, np. węgla 12C, jak też cięższych niż złoto, choćby uranu 238U. W ich modelach udaje się wyjaśnić ilości takiego pierwiastka jak stront - za pomocą zderzeń gwiazd neutronowych, i europu - za pomocą aktywności supernowych magnetorotacyjnych. Były to pierwiastki, które sprawiały wcześniej naukowcom trudności, jeśli chodzi o wyjaśnienie proporcji ich występowania w kosmosie Ale złoto, a precyzyjnie rzecz biorąc, jego ilość, pozostaje wciąż enigmą.
Mirosław Usidus
