Těžké chemické prvky vznikají díky kosmickým explozím. Anebo ne?
Autor: NASA/Swift/Cruz deWilde
Po svém „zrození“ ve Velkém třesku se vesmír skládal převážně z vodíku a několika atomů helia. Jedná se o nejlehčí prvky v periodické tabulce prvků. Během 13,8 miliardy let mezi velkým třeskem a současností vznikly všechny ostatní prvky. Mnoho z těchto těžších prvků vzniklo ve hvězdách procesem jaderné fúze. Tím však vznikly pouze prvky těžké maximálně jako železo. Jak vznikly těžší prvky?
Abychom mohli vysvětlit přítomnost těchto těžších prvků ve vesmíru, je třeba najít jevy s dostatečně velkou energií, která by ty prvky dokázala produkovat. Jedním z typů událostí, které tomu odpovídají, je gama záblesk (GRB) - nejsilnější třída explozí ve vesmíru. Ty mohou vybuchnout při kvintiliónnásobku (10 následované 18 nulami) svítivosti našeho Slunce a předpokládá se, že jsou způsobeny několika typy událostí.
Gama záblesky
GRB lze rozdělit do dvou kategorií: dlouhé záblesky a krátké záblesky. Dlouhé GRB jsou spojeny se zánikem hmotných a rychle rotujících hvězd. Podle této teorie je při kolapsu masivní hvězdy vyvržen materiál do úzkých výtrysků, ve kterých se pohybuje extrémně vysokými rychlostmi.
Krátké záblesky trvají jen několik sekund. Předpokládá se, že jsou způsobeny srážkou dvou neutronových hvězd - kompaktních a hustých „mrtvých“ hvězd. V srpnu 2017 pomohla tuto teorii podpořit významná událost. LIGO a Virgo, dva detektory gravitačních vln v USA, objevily signál, který zřejmě pocházel od dvou neutronových hvězd blížících se ke srážce.
O několik sekund později byl na obloze v souhvězdí Hydry detekován krátký gama záblesk známý jako GRB 170817A, který přicházel ze stejného směru. Po několik týdnů na tuto událost mířily prakticky všechny teleskopy na planetě v rámci bezprecedentního úsilí o studium jejích následků.
Pozorování odhalila v místě GRB 170817A tzv. kilonovu. Při výbuchu kilonovy se sice uvolní energie 1000x silnější než při výbuchu klasické novy (odtud název kilonova), ale stále jde jen o slabší příbuznou výbuchu supernovy. Ještě zajímavější je, že byly nalezeny důkazy, že při explozi vzniklo mnoho těžkých prvků. Autoři studie v časopise Nature, která analyzovala výbuch, ukázali, že tato kilonova zřejmě produkovala dvě různé kategorie trosek neboli ejekcí. Jedna se skládala převážně z lehkých prvků, zatímco druhá z prvků těžkých.
Jak to kilonova zvládla?
Už jsme se zmínili, že jaderná fúze může reálně z periodické tabulky produkovat pouze prvky těžké jako železo. Existuje však ještě jeden proces, který by mohl vysvětlit, jak byla kilonova schopna produkovat prvky ještě těžší.
Autor: NASA Goddard Space Flight Center
Máme tedy vyhráno? Jsou ve vesmíru těžké prvky díky kilonovám? Splynutí dvou neutronových hvězd, jako bylo to, které způsobilo kilonovou GRB 170817A, je velmi vzácnou událostí. Tak vzácnou, že nemohou být zdrojem hojného výskytu těžkých prvků ve vesmíru. Ale co dlouhé GRB?
Dlouhé gama záblesky
Nedávná studie zkoumala zejména jeden dlouhý záblesk gama, GRB 221009. Ten byl nazván BOAT - nejjasnější záblesk všech dob. Tento GRB byl zachycen jako puls intenzivního záření procházejícího Sluneční soustavou 9. října 2022.
GRB 221009 vyvolal podobnou astronomickou pozorovací kampaň jako zmíněná kilonova. Tento GRB byl 10krát energetičtější než předchozí rekordman a byl tak blízko nás, že byl měřitelný jeho vliv na zemskou atmosféru! Ten byl srovnatelný s velkou sluneční bouří.
Mezi dalekohledy zkoumajícími následky GRB 221009 byl i vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST). Ten pozoroval GRB zhruba šest měsíců po jeho explozi. Data, která JWST shromáždil, ukázala, že navzdory mimořádné jasnosti, byl GRB 221009 způsoben výbuchem průměrné supernovy.
Už předchozí pozorování jiných dlouhých GRB ukázala, že neexistuje žádný vztah mezi jasností GRB a velikostí s ním spojené exploze supernovy. Zdá se, že GRB 221009 není výjimkou.
Tým JWST rovněž odvodil počet těžkých prvků vzniklých během exploze tohoto GRB. Nenašli žádné náznaky prvků produkovaných r-procesem. Je to překvapivý závěr, protože teoreticky se předpokládá, že jasnost dlouhého GRB souvisí s podmínkami v jeho jádře, nejspíše černé díře. U velmi jasných událostí - zejména u tak extrémních jako byl GRB 221009 – se podmínky vhodné pro vznik r-procesu očekávaly.
Tato zjištění vráží klín do obecně přijímané hypotézy. Záblesky záření gama nemusí být očekávaným rozhodujícím zdrojem těžkých prvků ve vesmíru.
Zdroje a doporučené odkazy:
[1] The universe
O autorovi
Petr Sobotka
Petr Sobotka je od r. 2014 autorem Meteoru - vědecko-populárního pořadu Českého rozhlasu. 10 let byl zaměstnancem Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově. Je tajemníkem České astronomické společnosti. Je nositelem Kvízovy ceny za popularizaci astronomie 2012. Členem ČAS je od roku 1995.
