Bardzo ciężkie i bardzo ciemne pierwiastki. Kosmos pełny tego, czego na Ziemi nie znamy
Najcięższym, znanym nam jako naturalnie występujący na Ziemi, pierwiastkiem, z masą atomową 238, jest uran, chociaż cięższe, mogą powstawać „naturalnie” wskutek rozpadu promieniotwórczego. Znaleziono śladowe ilości plutonu obok złóż rudy uranowej.
Większość cięższych pierwiastków o masach od neptunu o masie 237 do pierwiastka o nazwie lorens (266) powstaje wskutek ludzkiej działalności, w tym eksperymentów. Najcięższym, choć istniejącym zaledwie 0,9 milisekundy, jest stworzony laboratoryjnie oganesson z liczbą atomową 118 i masą atomową 294 (1).
Tworzenie nowych superciężkich pierwiastków w laboratoriach fizycznych to żmudne zadanie. Naukowcy muszą niezwykle precyzyjnie balansować siły przyciągania i odpychania pomiędzy cząstkami elementarnymi. Potrzebna jest „magiczna” liczba protonów i neutronów, które „zlepią się” w jądrze o pożądanej liczbie atomowej. Sam proces polega na przyspieszaniu cząstek do prędkości jednej dziesiątej prędkości światła. Istnieje niewielka, ale nie zerowa, szansa na uformowanie się superciężkiego jądra atomowego o pożądanej liczbie. Wówczas zadaniem fizyków staje się możliwie najszybsze schłodzenie i „przydybanie” go w detektorze, zanim się rozpadnie. Trzeba jednak pozyskać do tego odpowiednie
„surowce”, czyli rzadkie, niezwykle drogie izotopy pierwiastków o wymaganych zasobach neutronów. Teraz okazało się, że te pierwiastki, które ludzie wytwarzają z takim trudem w swoich laboratoriach, powstają w gwiazdach neutronowych samorzutnie, czyli właściwie jest to proces naturalny.
Pierwiastki o masie większej niż 260 powstają w wyniku szybkiego wychwytu neutronów, czyli „procesu r”, w wyniku którego powstaje większość pierwiastków cięższych od żelaza (masa atomowa 55,8), w tym uran, platyna, złoto i srebro. Proces ten zachodzi podczas powstawania gwiazd neutronowych. Gwiazdy te, które często tworzą się jako pary w następstwie wybuchu supernowej, mogą ostatecznie zderzyć się ze sobą (2). I te właśnie zderzenia mają kluczowe znaczenie dla powstawania ciężkich pierwiastków. Naukowcy często uważają uran za najcięższy pierwiastek w przyrodzie, ale nie ma naukowego powodu, dla którego „proces r” musiałby zatrzymać się na uranie. W rzeczywistości, gdy astrofizycy obliczeniowo modelują te zjawiska, uwzględniają ultraciężkie pierwiastki, takie jak te, które właśnie odkryto w konkretnych gwiazdach.
Według badań 42 starych gwiazd Drogi Mlecznej, których rezultaty opublikowano w grudniu 2023 r. w czasopiśmie „Science”, znaleziono w ich składach wzorce odpowiadające pierwiastkom ze środkowej części układu okresowego, takie jak srebro i rod. Zidentyfikowane sygnały sugerują, że były one produktami rozpadu cięższych „metali”, które pierwotnie miały masę co najmniej 260. Pierwiastki te, choć, jak wspomniano, powstają „naturalnie”, są wciąż niestabilne, nie trwają długo. Produkty ich rozpadu są jednak dowodem ich pierwotnego istnienia.
„Układ okresowy ciemnej materii”
Na miesiąc przed publikacją w „Science” na temat superciężkich pierwiastków w gwiazdach neutronowych, pojawiła się też nowa teoria mówiąca o hipotetycznym „układzie okresowym pierwiastków ciemnej materii”.
Wcześniejsze teorie zakładały, że ciemna materia, która, co warto podkreślić, nie została jeszcze w żaden sposób wykryta ani zidentyfikowana w żadnych eksperymentach i obserwacjach, jest czymś prostym. Miał to być pojedynczy rodzaj niezwykle lekkiej (w innych hipotezach bardzo ciężkiej) cząstki, której we Wszechświecie jest pełno, która jednak prawie nigdy nie wchodzi w interakcje z normalną materią, co sprawa, że jest tak trudna do wykrycia. W pracy autorstwa Thomasa C. Gehrmana, Barmaka Shamsa Es Haghi, Kuvera Sinha, Tao Xu, która została umieszczona w bazie danych arXiv, zespół kosmologów zauważa, że wczesny Wszechświat prawdopodobnie doświadczył poważnych przejść fazowych, gdy siły natury oddzieliły się od siebie, przechodząc od jednego zunifikowanego oddziaływania siły do czterech znanych w naszych czasach. Przy każdym przejściu zmieniały się zasady fizyki rządzące Wszechświatem. Nie jest to tak szalone, jak się wydaje, ponieważ naukowcy potrafią odtworzyć ostatnie z tych przejść w akceleratorach cząstek. Przy wystarczająco wysokich energiach, odtwarzając kilka pierwszych sekund Wielkiego Wybuchu, możemy zaobserwować, jak oddziaływania elektromagnetyczne i słabe siły jądrowe łączą się w jedną całość.
Naukowcy sądzą, że ultraciężka ciemna materia mogła zostać uwięziona podczas jednego z tych wczesnych przejść fazowych. Jeśli przejście byłoby chaotyczne, spowodowałoby to powstanie bąbelków, w których niektóre obszary Wszechświata przeszłyby na nowe zasady fizyki, zaś reszta nie dokonała jeszcze zmiany (podobnie jak jest to z gotującą się wodą, w której faza gazowa uwięziona jest w bąbelkach otoczonych cieczą).
W ich modelu najwcześniejsza ciemna materia była lekka, potem stała się ciężka, gdy została uwięziona i zapadała się do czarnych dziur, następnie „wyparowując”. Jednak gdy czarne dziury wyparowują, ciemna materia powraca, ponieważ czarne dziury wypluwają nowe cząstki ciemnej materii. Ten sprytny mechanizm ogranicza całkowitą ilość masywnej ciemnej materii we Wszechświecie, ponieważ uciec z czarnych dziur może w określonym czasie tylko część ciemnej materii, zanim całkowicie wyparują.
I tu dochodzimy do tajemniczych „pierwiastków” ciemnej materii. Proces parowania bowiem miałby generować również wiele gatunków cząstek ciemnej materii. Według teoretyków, cząstki ciemnej materii mają wiele wspólnych cech, ale różnią się one masą, prędkością i sposobami interakcji z normalną materią. W tym modelu ciemna materia jest ogromną kolekcją różnych rodzajów cząstek, podobnie jak normalna materia składa się z całego układu okresowego pierwiastków.
Nie trzeba tłumaczyć, że trudno dowieść eksperymentalnie tej teorii w sytuacji, gdy w ogóle jeszcze nie wykryliśmy ciemnej materii, niezależnie od tego, czy występuje ona w pierwiastkach, czy jest jednym tylko typem cząstki.
Mirosław Usidus
