Sekant cheminiais kosmoso evoliucijos pėdsakais

Kalbėdami apie kosmosą ir Visatą dažniausiai įsivaizduojame milžiniškus dydžius, tačiau retai susimąstome, kad ji sudaryta iš smulkiausių dėmenų – elementariųjų dalelių, atomų, cheminių elementų. Beveik visi cheminiai elementai, taip pat ir tie, be kurių neegzistuotų gyvybė Žemėje, atsirado žvaigždėse vykstančių procesų metu – sako Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto astrofizikas prof. Arūnas Kučinskas, tyrinėjantis žvaigždžių cheminės raidos ypatumus.

Cheminių elementų atsiradimas

Nors mokslininkai iki šiol nežino, kas egzistavo iki Didžiojo sprogimo, manoma, kad būtent jam įvykus atsirado pirmieji cheminiai elementai, kurie nulėmė ir visų kitų elementų gimimą vėliau susiformavusiose žvaigždėse.

„Iki Didžiojo sprogimo mūsų Visata paprasčiausiai neegzistavo, bet per vieną dešimt tūkstantąją sekundės dalį po jo atsirado pirmosios stabilios elementariosios dalelės – protonai, elektronai ir neutronai. Joms sąveikaujant per pirmąsias tris minutes susiformavo vandenilio izotopai deuteris ir tritis, taip pat helis ir litis – patys lengviausi cheminiai elementai“, – pasakoja prof. A. Kučinskas.

Visata toliau plėtėsi ir vėso, ėmė formuotis dujų debesys, kuriems traukiantis ir skylant į mažesnius fragmentus gimė pirmosios žvaigždės.

„Jos įsižiebė maždaug 100–200 mln. metų po Didžiojo sprogimo, kai susiformavusiems debesims besitraukiant ir kaistant prožvaigždžių centrinėse dalyse prasidėjo termobranduolinės reakcijos. Jų metu lengvesni cheminiai elementai virto sunkesniais, pavyzdžiui, vandenilis – heliu. Visi elementai, sunkesni už litį, buvo susintetinti vykstant branduolinėms reakcijoms žvaigždėse“, – aiškina astrofizikas.

Be žvaigždžių pagamintų cheminių elementų nebūtų susiformavusi ir Žemės planeta. Gali būti sunku patikėti, tačiau būtent žvaigždėse atsirado gyvybiškai svarbūs anglis, deguonis, kalcis ir visi kiti elementai, be kurių neįmanoma gyvybė Žemėje.

 Žvaigždžių gyvenimai – cheminių elementų gamybos ciklai

Mirštant pirmosios kartos žvaigždėms, cheminiais elementais praturtinti dujų debesys tapo naujų žvaigždžių, sudarytų jau ne tik iš vandenilio ir helio, bet ir iš sunkesniųjų cheminių elementų, gimimo vietomis. Šios žvaigždės jau buvo kitokios tiek chemine sudėtimi, tiek jose vykstančių procesų įvairove.

„Žvaigždės skiriasi ne tik savo mase, dydžiu ir chemine sudėtimi, bet ir gelmėse sintetinamais cheminiais elementais. Pavyzdžiui, mažesnės masės žvaigždžių, tokių kaip Saulė, raidos pradžioje jų centrinėse dalyse esantis vandenilis iš pradžių virsta heliu, kiek vėliau helis – anglimi, o paskutiniuose raidos etapuose tokios žvaigždės susintetina ir nemažai sunkesnių cheminių elementų – rubidžio, bario, lantano“, – pasakoja astrofizikas.

Pasak prof. A. Kučinsko, masyvios, pavyzdžiui, dešimties–penkiolikos Saulės masių žvaigždės, be helio ir anglies, sintetina dar ir deguonį, magnį, geležį, o savo evoliucijos pabaigoje, kai sprogsta kaip supernovos, pažeria ir sunkesnių cheminių elementų, tokių kaip europis, hafnis (1 pav.).

1 pav. Masyvios žvaigždės vidinė sandara prieš jai susprogstant kaip supernovai. Skirtingomis spalvomis pavaizduoti įvairių termobranduolinių reakcijų ciklų metu susintetintų cheminių elementų sluoksniai. © Moritz Pleintinger

„Tuos pačius elementus gali sintetinti ir labai skirtingų savybių žvaigždės, tačiau kai kurie elementai linkę atsirasti tik tam tikrų procesų metu. Todėl aptikę tokių elementų kaip europis galėtume teigti, kad jie atsirado po supernovos sprogimo ar susiliejus neutroninėms žvaigždėms, o suradę daugiau bario manytume, kad jis greičiausiai buvo susintetintas mažesnės masės žvaigždėse“, – pasakoja mokslininkas.

Cheminiai elementai ir jų kiekis žvaigždėse – pagrindinis indikatorius, leidžiantis atsakyti ir į kitus mokslininkams kylančius klausimus, pavyzdžiui, nustatyti žvaigždžių amžių. Sugretinę tokią informaciją su žiniomis apie žvaigždžių judėjimą mūsų Galaktikoje ar kitose, tolimesnėse galaktikose, galime sužinoti, kur, kada ir kaip susiformavo žvaigždės, kas vyko jų praeityje ir kas jų laukia ateityje.

Saulė – geriausiai pažįstama žvaigždė

Pasak astrofiziko prof. A. Kučinsko, Saulė yra geriausiai mokslininkams pažįstama žvaigždė. Tai lemia jos artumas ir galimybė tyrimuose taikyti pačius įvairiausius metodus.

„Mes žinome, kad centrinėje Saulės dalyje šiuo metu vandenilis virsta heliu, o maždaug po 5 mlrd. metų, pasibaigus vandenilio atsargoms, centrinė Saulės dalis ims trauktis, išoriniai sluoksniai smarkiai išsiplės ir Saulė virs raudonąja milžine. Dar kiek vėliau temperatūra jos centre pakils iki maždaug 100 mln. laipsnių, kai šiuo metu tesiekia apie 15 mln. laipsnių, ir susidarys sąlygos heliui virsti anglimi. Galiausiai, kai visas helis centrinėje dalyje pavirs anglimi, termobranduolinės reakcijos Saulėje pamažu užges“, – Saulės ateitį atskleidžia mokslininkas.

Paskui dar labiau išsiplėtusi Saulė numes savo išorinius sluoksnius ir virs baltąja nykštuke. Jos centre termobranduolinės reakcijos jau nebevyks ir per milijardus metų ji laipsniškai atvės. Tačiau prieš pavirsdama baltąja nykštuke Saulė dar spės susintetinti ir nemažai sunkesnių už geležį cheminių elementų.

„Nors atrodytų, kad Saulės sandarą ir jos raidą mes jau pakankamai gerai suprantame, ši žvaigždė neabejotinai dar daug ką slepia. Pavyzdžiui, dar visai neseniai buvo manoma, kad Saulės cheminė sudėtis gana gerai žinoma, tačiau vėlesni deguonies gausos tyrimai, atlikti taikant naujausius trimačius hidrodinaminius Saulės atmosferos modelius, parodė, kad šio elemento yra gerokai mažiau, nei manyta. Kadangi cheminių elementų kiekis žvaigždėse daro įtaką medžiagos, iš kurios sudarytos žvaigždės, savybėms, gali būti, kad Saulė tiek savo gelmėse, tiek išorėje yra kiek kitokia, nei buvo manyta anksčiau“, – pasakoja prof. A. Kučinskas.

Anot mokslininko, kol kas dar nėra rastas šios problemos sprendimas, tačiau toks pavyzdys parodo, kad kartais tenka tikslinti, atrodytų, net ir gerai žinotas tiesas.

 Atsakymų į klausimus apie Visatą ieškoma bendradarbiaujant

Šiuo metu Europos Komisijos finansuojamame „Horizon 2020“ programos projekte dirbanti prof. A. Kučinsko vadovaujama Vilniaus universiteto mokslininkų grupė tiria cheminių elementų atsiradimą ir raidą Visatoje. Projektas vienija skirtingose srityse – branduolinės fizikos ir astrofizikos – dirbančius mokslininkus iš 17 Europos šalių, todėl bendromis pastangomis tikimasi gauti atsakymus į daugelį fundamentalių klausimų apie cheminių elementų prigimtį.

„Šis tarptautinis projektas jungia daugelio institucijų tyrėjus, su kuriais, taikydami eksperimentinius ir teorinius tyrimų metodus, bandome suprasti branduolines reakcijas žvaigždėse, nustatyti, kokia buvo mūsų Galaktikos žvaigždžių ir žvaigždžių populiacijų cheminė raida. Naudodamiesi bendromis mokslinių tyrimų infrastruktūromis sprendžiame rūpimus klausimus ir keliame naujas tyrimų idėjas“, – pasakoja prof. A. Kučinskas.

Visatos archeologais save vadinantys mokslininkai kuria realistiškus trimačius (3D) žvaigždžių atmosferų modelius, leidžiančius giliau analizuoti reiškinius, vykstančius žvaigždėse. Mokslininkai kuria ir naujus cheminių elementų gausų žvaigždėse analizės metodus bei priemones, kurios bus naudojamos siekiant geriau suprasti mūsų Galaktikos raidos ypatumus.