Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Niespodziewane odkrycie zmienia nasz pogląd na gwiezdne fabryki pierwiastków

Recommended Posts

Naukowcy z Michigan State University odkryli, że jedna z najważniejszych reakcji chemicznych we wszechświecie zachodzi znacznie intensywniej we wnętrzach supernowych. Odkrycie to zmienia nasz spojrzenie na powstanie niektórych pierwiastków obecnych na Ziemi. W szczególności zaś wywraca do góry nogami teorię wyjaśniającą, dlaczego na Ziemi mamy do czynienia z niezwykle dużą ilości pewnych izotopów rutenu i molibdenu.

Wyniki zaskakujących badań opublikowano na łamach Nature. Dowiadujemy się z nich, że w najbardziej wewnętrznych obszarach supernowych atomy węgla powstają 10-krotnie szybciej, niż dotychczas sądzono. Są one tworzone w potrójnym procesie alfa (proces 3-α). To proces syntezy termojądrowej, w którym z trzech jąder helu 4He powstaje jedno jądro węgla 12C.
Potrójny proces alfa to dla nas najważniejsza reakcja chemiczna. To dzięki niej istniejemy, mówi profesor Hendrik Schatz z Wydziału Fizyki i Astronomii Michigan State University.

Niemal wszystkie atomy tworzące Ziemię oraz to, co się na niej znajduje, z ludźmi włącznie, powstały w gwiazdach. A najważniejszym z tych atomów jest węgiel, który powstaje w 3-α. Wewnątrz gwiazd trzy jądra izotopu helu zwanego cząstką alfa – składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów – tworzą nowy pierwiastek składający się z sześciu protonów i sześciu neutronów. To najpowszechniej występująca forma węgla – 12C.

Proces 3-α jest jednak zwykle mało wydajny, przypomina szef zespołu badawczego, profesor Luke Roberts. Chyba, że jest coś, co go wspomaga. Zespół Robertsa odkrył właśnie, że w najbardziej wewnętrznych warstwach supernowych istnieje taki element, a jest nim nadmiar protonów. To może znacząco przyspieszać reakcję 3-α.

Jednak przyspieszenie tej reakcji wiąże się ze zmniejszeniem zdolności supernowej do wytwarzania cięższych pierwiastków. To bardzo ważne spostrzeżenie, gdyż dotychczas uważano, że nadmiar izotopów rutenu i molibdenu na Ziemi powstał dzięki supernowym bogatym w protony. Jednak badania przeprowadzone właśnie przez zespół Robertsa sugerują, że izotopy te nie powstały w supernowych bogatych w protony.

Fascynujące jest to, że teraz musimy znaleźć inny sposób na wyjaśnienie istnienia takiej ilości tych izotopów. Nie powinno być ich aż tyle. A znalezienie alternatyw dla bogatych w protony supernowych nie będzie łatwym zadaniem, mówi Hendrik Schatz.
To pewien problem. Dotychczas sądziliśmy, że wiemy, skąd na Ziemi taka obfitość izotopów rutenu i molibdenu. Okazało się jednak, że się myliliśmy, dodaje emerytowany profesor Sam Austin.

Istnieją alternatywne rozwiązania tej zagadki, ale żadna z nich nie jest do końca satysfakcjonująca. Potrzebujemy więc nowej teorii, uwzględniającej najnowsze badania. Niezależnie od tego, jakie rozwiązania zostaną zaproponowane w przyszłości, będą one musiały uwzględniać wpływ przyspieszonej reakcji 3-α. To bardzo intrygująca zagadka, stwierdza Schatz. Uwielbiamy postęp. Nawet jeśli burzy on naszą ulubioną teorię, dodaje uczony.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Zdaje się, że kolizje gwiazd neutronowych są również odpowiedzialne za znaczne ilości najcięższych pierwiastków, jakie są dostępne we Wszechświecie.

Edited by cyjanobakteria

Share this post


Link to post
Share on other sites
9 godzin temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Potrójny proces alfa to dla nas najważniejsza reakcja chemiczna.

Coś się zmieniło? Reakcja chemiczna dotyczy(ła?) wiązań między atomami. Nukleosynteza to jednak dla chemików za wcześnie, raczej muszą czekać aż się jądra elektronów dorobią. 

Edited by Jajcenty

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ostatnim rozdziałem końca wszechświata, który nastąpi długo po tym, jak zgaśnie ostatnia gwiazda, może być seria niezwykłych eksplozji. Niezwykłych, bo ich głównymi bohaterami będą supernowe z czarnych karłów, twierdzi Matt E. Caplan z Illinois State University, którego artykuł Black dwarf supernova in the far future został zaakceptowany do publikacji w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
      Czarne karły jeszcze nie powstały, gdyż sam wszechświat istnieje zbyt krótko by mogły się pojawić. Ewolucja gwiazd jest determinowana przez ich masę. Niektóre eksplodują, stają się supernowymi i mogą zostać czarnymi dziurami. Jeszcze inne stają się niewielkimi gęstymi gwiazdami – białymi karłami. Po bilionach lat tracą blask i zamieniają się w czarne nie emitujące światła obiekty zwane czarnymi karłami. Caplan twierdzi, że pod koniec istnienia wszechświata mogą one rozświetlić go, eksplodując i zamieniając się w supernowe.
      Supernowe czarnych karłów powstaną w wyniku fuzji pyknonuklearnej (pycnonuclear fusion). Zwykle gwiazdy są zasilane dzięki reakcjom termojądrowym, gdzie wysokie temperatury i ciśnienie wymuszają łączenie się atomów w cięższe pierwiastki.
      Tymczasem fuzja pyknonuklearna zachodzi w wyniku pojawienia się tunelowania kwantowego, które pozwala atomom na zbliżenie się bardziej niż normalnie. To proces, który z czasem zmienia białego karła w żelazo – ostatni z pierwiastków, jaki może powstać w wyniku fuzji.
      Jak mówi Matt Caplan, takie reakcje zachodzą niezwykle powoli. Przez milion lat może nie dojść do ani jednej tego typu reakcji w czarnym karle, stwierdza uczony. Dla porównania – w każdej sekundzie w Słońcu dochodzi do fuzji ponad 1038 protonów.
      Zamiana czarnego karła w żelazo w wyniku fuzji pyknonuklearnej może potrwać od 101100 do 1032000 lat. To kolosalne skale czasowe, mówi astrofizyk Fred Adams z Univesrity of Michigan. Uważamy, że największe możliwe czarne dziury parują w ciągu 10100 lat. To mgnienie oka w porównaniu ze skalą omawianą w artykule.
      Gdy już większość czarnego karła zamieni się w żelazo, obiekt zostanie zmiażdżony przez własną masę. Dojdzie do implozji, która odrzuci zewnętrzne warstwy. Podobne procesy zachodzą we współczesnym wszechświecie, gdzie gromadzenie się żelaza prowadzi do pojawienia się supernowych Typu II.
      Jak wylicza Caplan, supernowa czarnego karła może powstać z czarnego karła o masie od 1,16 do 1,35 masy Słońca. Z kolei takie czarne karły powstaną z typowych gwiazd o masie od 6 do 10 mas Słońca. Gwiazdy o takiej masie nie są zbyt rozpowszechnione, chociaż nie można też powiedzieć, że występują rzadko. Szacuje się, że stanowią one około 1% wszystkich gwiazd. Na tej podstawie Caplan szacuje, że przed końcem wszechświata pojawi się około 1021 supernowych czarnych karłów. Jako, że czarne karły będą miały niewielką masę, ich supernowe nie będą tak olbrzymie jak znane nam supernowe, jednak nadal będzie to spektakularne widowisko, szczególnie w pozbawionym gwiazd ciemnym wszechświecie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przed około 359 milionami lat Ziemia doświadczyła epizodu wymierania, podczas którego niemal całkowicie wyginęły akritarchy i ryby pancerne. To późnodewońskie wymieranie, zwane kryzysem Hangenberg, trwało około 300 000 lat. Brian Field z University of Illinois Urbana-Champaign upublicznił artykuł [PDF], w którym dowodzi, że za wymieranie to odpowiada... wybuch supernowej.
      Uważa się, że kryzys Hangenberg był spowodowany długotrwałym ubytkiem ozonu, przez co do Ziemi docierało zbyt dużo szkodliwego promieniowania ultrafioletowego ze Słońca. Jedną z możliwych przyczyn ubytku ozonu jest pojawienie się w niższych warstwach atmosfery dużej ilości pary wodnej, która może brać udział w cyklu pojawiania się wolnych rodników tlenku chloru, który niszczy ozon. Jednak hipoteza taka jest o tyle wątpliwa, że para wodna mogłaby utrzymywać się w atmosferze zbyt krótko, by wywołać wymieranie trwające 300 000 lat. Ponadto taki mechanizm spowodowałby redukcję ozonu na ograniczonym terenie geograficznym, tymczasem wiemy, że kryzys Hangenberg objął całą Ziemię.
      Brian Field uważa, że przyczyną wymierania mógł być wybuch pobliskiej supernowej. Podczas takiego wydarzenia uwalniana jest olbrzym ilość promieniowania ultrafioletowego, X czy gamma. Promieniowanie kosmiczne z pobliskiej supernowej mogłoby oddziaływać na Ziemię przez 100 000 lat. To z kolei doprowadziłoby do długotrwałej globalnej utraty warstwy ozonowej. Hipoteza z supernową wyjaśnia zarówno skalę jak i czas trwania kryzysu Hangenberg.
      Z wyliczeń zespołu Fielda wynika, że za wspomniane wymieranie może być odpowiedzialny wybuch supernowej Typu II. Taki wybuch w odległości mniejszej niż 10 parseków (33 lata świetlne) od Ziemi prawdopodobnie zniszczyłby życie na naszej planecie.
      Dlatego też naukowcy sądzą, że do eksplozji doszło w odległości około 20 parseków. To wystarczająco blisko, by zabić wiele gatunków, jednak za daleko, by całkowicie zniszczyć życie.
      Dowodami na takie wydarzenie mają być radioaktywne izotopy, które powstały podczas wybuchu i opadły na Ziemię. Część z tych izotopów na na tyle długi okres połowicznego rozpadu, że powinny nadal być obecne w osadach z przełomu dewonu i karbonu. Takim pierwiastkiem jest np. pluton-244. Jego znalezienie w osadach z tego okresu byłoby silnym poparciem hipotezy Fielda.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy korzystający z Very Large Telescope (VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego poinformowali o... zniknięciu masywnej niestabilnej gwiazdy znajdującej się w jednej z galaktyk karłowatych. Naukowcy sądzą, że gwiazda stała się mniej jasna i przesłonił ją pył. Inna możliwa interpretacja jest taka, zapadła się tworząc czarną dziurę, bez stworzenia supernowej. Jeśli się to potwierdzi, będzie to pierwsza bezpośrednia obserwacja tak dużej gwiazdy kończącej życie w taki sposób, mówi doktorant Andrew Allan z Trinity College Dublin.
      W latach 2001–2011 różne grupy astronomów obserwowały w Galaktyce Kinman niezwykłą masywną gwiazdę. Wielokrotne obserwacje potwierdziły, że znajduje się ona na ostatnich etapach ewolucji. Allan i prowadzony przez niego międzynarodowy zespół naukowy z Irlandii, Chile i USA chcieli więcej dowiedzieć się o życiu masywnych gwiazd. Gdy jednak w 2019 roku skierowali VLT na gwiazdę, tej nie było tam, gdzie spodziewali się ją znaleźć.
      Galaktyka karłowata Kinman znajduje się w odległości około 75 milionów lat świetlnych od Ziemi w Konstelacji Wodnika. To zbyt duża odległość, by można było obserwować pojedyncze gwiazdy. Jednak możliwe jest odkrycie sygnatur niektórych z nich. Przez 10 lat kolejni astronomowie widzieli dowody, że znajduje się w niej gwiazda zmienna typu S Doradus. Tego typu gwiazdy są bardzo niestabilne, są ostatnim etapem życia gwiazd, których początkowa masa jest co najmniej 85 razy większa od masy Słońca. Żyją krótko i są niezwykle jasne. Gwiazda z Kinmana była 2,5 miliona razy jaśniejsza od Słońca.
      Allan i jego zespół stwierdzili, że gwiazda zniknęła. Byłoby czymś niezwykłym, gdyby tak masywna gwiazda zniknęła i nie pozostałaby po niej jasna supernowa, przyznaje Allan. Naukowcy zaczęli szukać gwiazdy. Wykorzystali w tym celu VLT oraz spektrograf ESPRESSO. Nic nie znaleźli. Użyli również instrumentu X-shooter. I dalej nic. Następnie zabrali się za analizę wieloletnich danych pochodzących z różnych źródeł.
      Dane pokazały, że w Galaktyce Kinman doszło do okresu intensywnych rozbłysków, które zakończyły się po roku 2011. Wiadomo, że gwiazdy zmienne typu S Doradus mogą pod sam koniec życia doświadczać silnych rozbłysków i znacznej utraty masy, a po tym procesie ich jasność dramatycznie spada.
      Naukowcy proponują dwa wyjaśnienia tego zjawiska oraz braku supernowej. Według pierwszego scenariusza po serii rozbłysków i utracie masy gwiazda znacznie straciła na jasności i może być częściowo przesłonięta pyłem. Drugie wyjaśnienie mówi o zapadnięciu się gwiazdy i powstaniu czarnej dziury. To byłoby niezwykłe, gdyż zgodnie z obowiązującymi obecnie teoriami, większość masywnych gwiazd kończy życie jako supernowa.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Eksperci z Rocky Mountain Institute opublikowali raport, z którego dowiadujemy się, że koszty produkcji energii z węgla osiągnęły punkt zwrotny i obecnie energia ta na większości rynków przegrywa konkurencję cenową z energią ze źródeł odnawialnych. Z analiz wynika, że już w tej chwili koszty operacyjne około 39% wszystkich światowych elektrowni węglowych są wyższe niż koszty wybudowania od podstaw nowych źródeł energii odnawialnej.
      Sytuacja ekonomiczna węgla będzie błyskawicznie się pogarszała. Do roku 2025 już 73% elektrowni węglowych będzie droższych w utrzymaniu niż budowa zastępujących je odnawialnych źródeł energii. Autorzy raportu wyliczają, że gdyby nagle cały świat podjął decyzję o wyłączeniu wszystkich elektrowni węglowych i wybudowaniu w ich miejsce odnawialnych źródeł energii, to przeprowadzenie takiej operacji stanie się opłacalne już za dwa lata.
      Szybsze przejście od węgla do czystej energii jest w zasięgu ręki. W naszym raporcie pokazujemy, jak przeprowadzić taką zmianę, by z jednej strony odbiorcy energii zaoszczędzili pieniądze, a z drugiej strony, by pracownicy i społeczności żyjące obecnie z energii węglowej mogli czerpać korzyści z energetyki odnawialnej, mówi Paul Bodnar, dyrektor Rocky Mountain Institute.
      Autorzy raportu przeanalizowali sytuację ekonomiczną 2472 elektrowni węglowych na całym świecie. Wzięli też pod uwagę koszty wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych oraz jej przechowywania. Na podstawie tych danych byli w stanie ocenić opłacalność energetyki węglowej w 37 krajach na świecie, w których zainstalowane jest 95% całej światowej produkcji energii z węgla. Oszacowali też koszty zastąpienia zarówno nieopłacalnej obecnie, jak o opłacalnej, energetyki węglowej przez źródła odnawialne.
      Z raportu dowiadujmy się, że gdyby na skalę światową zastąpić nieopłacalne źródła energii z węgla źródłami odnawialnymi, to w bieżącym roku klienci na całym świecie zaoszczędziliby 39 miliardów USD, w 2022 roczne oszczędności sięgnęłyby 86 miliardów, a w roku 2025 wzrosłyby do 141 miliardów. Gdyby jednak do szacunków włączyć również opłacalne obecnie elektrownie węglowe, innymi słowy, gdybyśmy chcieli już teraz całkowicie zrezygnować z węgla, to tegoroczny koszt netto takiej operacji wyniósłby 116 miliardów USD. Tyle musiałby obecnie świat zapłacić, by już teraz zrezygnować z generowania energii elektrycznej z węgla. Jednak koszt ten błyskawicznie by się obniżał. W roku 2022 zmiana taka nic by nie kosztowała (to znaczy koszty i oszczędności by się zrównoważyły), a w roku 2025 odnieślibyśmy korzyści finansowe przekraczające 100 miliardów dolarów w skali globu.
      W Unii Europejskiej już w tej chwili nieopłacalnych jest 81% elektrowni węglowych. Innymi słowy, elektrownie te przeżywałyby kłopoty finansowe, gdyby nie otrzymywały dotacji z budżetu. Do roku 2025 wszystkie europejskie elektrownie węglowe będą przynosiły straty. W Chinach nieopłacalnych jest 43% elektrowni węglowych, a w ciągu najbliższych 5 lat nieopłacalnych będzie 94% elektrowni węglowych. W Indiach zaś trzeba dopłacać obecnie do 17% elektrowni, a w roku 2025 nieopłacalnych będzie 85% elektrowni.
      Co ważne, w swoich wyliczeniach dotyczących opłacalności elektrowni węglowych analitycy nie brali pod uwagę zdrowotnych i środowiskowych kosztów spalania węgla.
      Energia węglowa szybko staje się nieopłacalna i to nie uwzględniając kosztów związanych z prawem do emisji i regulacjami odnośnie zanieczyszczeń powietrza. Zamknięcie elektrowni węglowych i zastąpienie ich tańszymi alternatywami nie tylko pozwoli zaoszczędzić pieniądze konsumentów i podatników, ale może też odegrać znaczną rolę w wychodzeniu gospodarki z kryzysu po pandemii, mówi Matt Gray stojący na czele Carbon Tracker Initiative.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Niezwykły sygnał, zauważony w falach grawitacyjnych, rzuca nowe światło na „lukę masy” pomiędzy gwiazdami neutronowymi, a czarnymi dziurami. Naukowcy od kilkudziesięciu lat nie wiedzą, czy i co znajduje się pomiędzy tymi obiektami. Teraz mają dowód, że coś tam jest.
      Gdy najbardziej masywne gwiazdy kończą życie, zapadają się pod wpływem własnej grawitacji i powstaje czarna dziura. Gdy jednak umierająca gwiazda jest mniej masywna, wybucha jako supernowa i pozostaje po niej gęste jądro – gwiazda neutronowa.
      Od dziesięcioleci wiemy, że najbardziej masywne gwiazdy neutronowe mają masę nie większą niż 2,5 masy Słońca, a najmniej masywne czarne dziury charakteryzują się masą około 5 mas Słońca. Powstaje więc pytanie, co jest pomiędzy tymi masami.
      W ubiegłym roku informowaliśmy, że wykrywacz fal grawitacyjnych LIGO, zarejestrował wszystko, czego od niego oczekiwano: zderzenie dwóch czarnych dziur, zderzenie dwóch gwiazd neutronowych oraz wchłonięcie gwiazdy neutronowej przez czarną dziurę. I właśnie to ostatnie wydarzenie, do którego doszło około 800 milionów lat temu, może rzucić nieco światła na „lukę masy”.
      Jak bowiem czytamy na łamach najnowszego numeru The Astrophysical Journal Letters, zarejestrowany sygnał, oznaczony jako GW190814, pochodził z połączenia czarnej dziury o masie 23 mas Słońca (22,2–24,3 M☉) z obiektem o masie 2,6 mas Słońca (2,50–2,67 M⊙). W wyniku tego procesu powstały fale grawitacyjne, które 800 milionów lat później zarejestrowaliśmy na Ziemi.
      Różnica mas pomiędzy obiektami, wynosząca aż 9:1 jest największą różnicą zaobserwowaną dotychczas podczas badania fal grawitacyjnych. Jednak najbardziej interesująca jest masa lżejszego z obiektów. W tym wypadku nie wiemy, czy lżejszy obiekt to gwiazda neutronowa czy czarna dziura. To wciąż tajemnica. Zbadanie, w jaki sposób powstają takie układy może zmienić nasze rozumienie ewolucji gwiazd, mówi doktor Christopher Berry z Institute for Gravitational Research University of Glasgow, którego naukowcy odegrali kluczową rolę w analizie danych.
      Od dziesięcioleci czekamy na rozwiązanie tej zagadki. Nie wiemy, czy ten obiekt to najbardziej masywna gwiazda neutronowa czy najmniej masywna czarna dziura. Tak czy inaczej jest to rekordowy obiekt, mówi profesor Vicky Kalogera z Northwestern University, a profesor Patrick Brady, rzecznik prasowy eksperymentu LIGO, dodaje: to zmieni sposób postrzegania czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Może się okazać, że „luka masy” nie istnieje, a wynika ona tylko z naszych ograniczonych możliwości obserwacyjnych. Potrzebujemy więcej czasu i kolejnych obserwacji, by to rozstrzygnąć.
      Naukowcy mają nadzieję, że kolejna rozbudowa możliwości obserwatorium LIGO, z obecnego Advanced LIGO do Advanced LIGO Plus, pozwoli na przeprowadzenie większej liczby bardziej szczegółowych obserwacji.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...