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
      Ziemia wraz z Układem Słonecznym znajduje się w szerokiej na setki lat świetlnych pustce otoczonej tysiącami młodych gwiazd. Pustka ta, w której średnia gęstość materii międzygwiezdnej jest 10-krotnie mniejsza niż w Drodze Mlecznej, zwana jest Bąblem Lokalnym. Naukowcy z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) i Space Telescope Science Institute (STScI) postawili sobie za zadanie odtworzenie historii naszego galaktycznego sąsiedztwa. Wykazali, jak szereg wydarzeń, które rozpoczęły się przed 14 milionami lat, doprowadził do stworzenia bąbla, odpowiedzialnego za powstanie niemal wszystkich pobliskich gwiazd.
      Astronom i ekspertka od wizualizacji danych, Catherine Zucker, która brała udział w badaniach mówi, że to naprawdę historia narodzin, po raz pierwszy jesteśmy w stanie wyjaśnić, jak rozpoczęło się formowanie wszystkich pobliskich gwiazd.
      Głównym elementem pracy naukowców jest animacja 3D, która pokazuje, że wszystkie młode gwiazdy i regiony gwiazdotwórcze znajdujące się w odległości 500 lat świetlnych od Ziemi, umiejscowione sa na powierzchni Bąbla Lokalnego. O jego istnieniu wiadomo od dziesięcioleci, ale dopiero teraz zaczynamy rozumieć początki Bąbla i jego wpływ na otaczający go gaz.
      Naukowcy wykazali teraz, że przed 14 milionami lat rozpoczęła się seria eksplozji supernowych, które wypchnęły gaz międzygwiezdny na zewnątrz, tworząc bąbel o powierzchni gotowej do formowania się gwiazd. Dzisiaj wiemy, że na powierzchni Bąbla znajduje się siedem regionów gwiazdotwórczych – chmur molekularnych – gęstych regionów w przestrzeni kosmicznej, w których formują się gwiazdy. Z naszych obliczeń wynika, że w przeciągu milionów lat doszło do 15 eksplozji supernowych, które uformowały Bąbel Lokalny, mówi Zucker. Uczeni zauważyli, że bąbel powoli rozszerza się z prędkością około 6,5 km/s.
      Tempo rozszerzania się bąbla oraz obecne i przeszłe trajektorie gwiazd tworzących się na jego powierzchni zostały określone dzięki danym zebranym przez kosmiczne obserwatorium Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej.
      Gdy wybuchła pierwsza supernowa, która przyczyniła się do powstania Bąbla Lokalnego, Słońce znajdowało się daleko od tego wydarzenia. Jednak około 5 milionów lat temu wiodąca przez galaktykę trasa Słońca zaprowadziła je w kierunku Bąbla i teraz Słońce, zupełnym przypadkiem, znajduje się niemal dokładnie w jego centrum, dodaje profesor João Alves z Uniwersytetu Wiedeńskiego.
      Niemal 50 lat temu pojawiła się teoria mówiąca, że bąble powszechnie występują w Drodze Mlecznej. Teraz mamy na to dowód. Bo jaka jest szansa, że znajdziemy się dokładnie w środku takiej struktury, mówi Goodman. Gdyby bąble były rzadkością, prawdopodobieństwo, że Słońce trafi do samego centrum jednego z nich, byłoby znikome. Droga Mleczna przypomina więc pełen dziur ser szwajcarski, w którym dziury są tworzone przez wybuchy supernowych, a na powierzchni bąbli tworzonych przez umierające gwiazdy, rodzą się kolejne gwiazdy.
      Teraz uczeni planują zmapować więcej bąbli i uzyskać trójwymiarowy obraz ich lokalizacji, kształtów i rozmiarów. Stworzenie takiego spisu bąbli oraz łączących je oddziaływań pozwoli na określenie roli umierających gwiazd w powstawaniu kolejnych pokoleń gwiazd oraz poszerzy naszą wiedzę o strukturze i ewolucji galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej.
      Artykuł opisujący badania opublikowano na łamach The Astrophysical Journal Letters, natomiast wszystkie interaktywne dane oraz materiały wideo zostały bezpłatnie udostępnione na specjalnie stworzonej witrynie.
       


      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Sadzenie drzew i zapobieganie pożarom lasów niekoniecznie prowadzi do uwięzienia większej ilości węgla w glebie. Autorzy badań opublikowanych na łamach Nature Geoscience odkryli, że planowane wypalanie sawann, użytków zielonych oraz lasów strefy umiarkowanej może pomóc w ustabilizowaniu węgla uwięzionego w glebie, a nawet zwiększenia jego ilości.
      Kontrolowane wypalanie lasów, którego celem jest zmniejszenie intensywności przyszłych niekontrolowanych pożarów, to dobrze znana strategia. Odkryliśmy, że w takich ekosystemach jak lasy strefy umiarkowanej, sawanny i użytki zielone, ogień może ustabilizować, a nawet zwiększyć ilość węgla uwięzionego w glebie, mówi główny autor badań, doktor Adam Pellegrini z University of Cambridge.
      Wynikiem dużego niekontrolowanego pożaru lasu jest erozja gleby i wypłukiwanie węgla do środowiska. Mogą minąć nawet dziesięciolecia, nim uwolniony w ten sposób węgiel zostanie ponownie uwięziony. Jednak, jak przekonują autorzy najnowszych badań, ogień może również prowadzić do takich zmian w glebie, które równoważą utratę węgla i mogą go ustabilizować.
      Po pierwsze, w wyniku pożaru powstaje węgiel drzewny, który jest bardzo odporny na rozkład. Warstwa węgla zamyka zaś wewnątrz bogatą w węgiel materię organiczną. Ponadto ogień może zwiększyć ilość węgla ściśle powiązanego z minerałami w glebie. Jeśli odpowiednio dobierze się częstotliwość i intensywność pożarów, ekosystem może uwięzić olbrzymie ilości węgla. Chodzi tutaj o zrównoważenie węgla przechodzącego do gleby w postaci martwych roślin i węgla wydostającego się z gleby w procesie rozkładu, erozji i wypłukiwania, wyjaśnia Pellegrini.
      Gdy pożary są częste i intensywne, a tak się dzieje w przypadku gęstych lasów, wypalane są wszystkie martwe rośliny. Ta martwa materia organiczna rozłożyłaby się i węgiel trafiłby do gleby. Tymczasem w wyniku pożaru zostaje on uwolniony do atmosfery. Ponadto bardzo intensywne pożary mogą destabilizować glebę, oddzielając bogatą w węgiel materię organiczną od minerałów i zabijając bakterie oraz grzyby.
      Bez obecności ognia martwa materia organiczna jest rozkładana przez mikroorganizmy i uwalniana w postaci dwutlenku węgla lub metanu. Gdy jednak dochodzi do niezbyt częstych i niezbyt intensywnych pożarów, tworzy się węgiel drzewny oraz dochodzi do związania węgla z minerałami w glebie. A węgiel w obu tych postaciach jest znacznie bardziej odporny na rozkład, a tym samym na uwolnienie do atmosfery.
      Autorzy badań mówią, że odpowiednio zarządzane wypalanie może doprowadzić do zwiększenia ilości węgla uwięzionego w glebie. Gdy rozważamy drogi, jakimi ekosystem przechwytuje węgiel z atmosfery i go więzi, zwykle uważamy pożary za coś niekorzystnego. Mamy jednak nadzieję, że nasze badania pozwolą odpowiednio zarządzać pożarami. Ogień może być czymś dobrym, zarówno z punktu widzenia bioróżnorodności jak i przechowywania węgla, przekonuje Pellegrini.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zjawiska istotne dla czarnych dziur, eksplozji supernowych i innych ekstremalnych wydarzeń kosmicznych mogą zostać odtworzone na Ziemi, twierdzą naukowcy z Pinceton University, SLAC National Accelerator Laboratory oraz Princeton Plasma Physics Laboratory. Dowodzą oni, że współczesna technologia pozwala na uzyskanie procesów kaskadowych opisywanych przez elektrodynamikę kwantową (QED cascades). Procesy takie leżą u podstaw eksplozji supernowych czy szybkich rozbłysków radiowych, w czasie których w ciągu milisekund emitowane jest tyle energii, ile Słońce emituje w ciągu kilku dni.
      Kenan Qu, Sebastian Meuren i Nahaniel J. Fisch poinfornowali na łamach Physical Review Letters, o uzyskaniu pierwszego teoretycznego dowodu, że interakcja laboratoryjnego lasera z gęstym strumieniem elektronów doprowadzi do pojawienia się kaskad. Wykazaliśmy, że to, o czym sądzono, iż jest niemożliwe, w rzeczywistości jest możliwe. To zaś pokazuje, że zjawisko, którego dotychczas nie mogliśmy bezpośrednio obserwować, można uzyskać za pomocą najnowocześniejszych laserów i urządzeń do generowania strumienia elektronów, mówi główny autor artykułu, Kenan Qu.
      Zderzenie silnego impulsu laserowego ze strumieniem elektronów o wysokiej energii prowadzi do powstania gęstej chmury par elektron-pozyton, które zaczynają wchodzić w interakcje. To zaś powoduje kolektywne zachowanie się plazmy, co z kolei wpływa na to, jak pary te wspólnie reagują na pola elektryczna lub magnetyczne.
      Plazma, zjonizowana materia przypominająca gaz, zawiera swobodne cząstki – jony i elektrony – i stanowi około 99% widzialnego wszechświata. Napędza ona reakcje w gwiazdach, a zachodzące w niej procesy są silnie zależne od pól elektromagnetycznych.
      "Poszukiwaliśmy sposobów, na odtworzenie warunków, w jakich powstaną pary elektron-pozyton o gęstości na tyle dużej, by doszło do kolektywnego zachowania się plazmy", mówi Qu. Już znacznie wcześniej wiedziano, że wystarczająco silne lasery, pola magnetyczne lub elektryczne mogą doprowadzić do pojawienia się wspomnianych procesów kaskadowych. Jednak wyliczenia pokazywały, że uzyskanie tak intensywnych promieni laserowych, pól magnetycznych i elektrycznych jest poza naszymi możliwościami.
      Okazuje się, że połączenie współczesnych technologii laserowych z relatywistycznymi strumieniami elektronów wystarczy, by zaobserwować takie zjawisko, mówi profesor Nat Fisch. Kluczem jest tutaj wykorzystanie lasera, który spowolni pary elektron-pozyton tak, by ich masa spadła, przez co zwiększy się ich wpływ na częstotliwość plazmy i wzmocni kolektywne zachowania plazmy. Wykorzystanie już dostępnych technologii jest tańsze, niż próba zbudowania lasera o olbrzymiej intensywności.
      Teraz autorzy badań chcą sprawdzić swoją przewidywania w SLAC National Accelerator Laboratory. Właśnie trwają tam prace nad laserem o umiarkowanej intensywności, a źródło elektronów już się tam znajduje. Jeśli dowiedziemy prawdziwości naszych obliczeń, zaoszczędzimy miliardy dolarów, dodaje Qu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Inżynierowe z MIT odkryli sposób na pozyskiwanie energii elektrycznej dzięki niewielkim kawałkom węgla, które wytwarzają prąd poprzez interakcję z płynem, który je otacza. Płyn ten to organiczny rozpuszczalnik, który wyciąga elektrony z węgla, a pozyskaną w ten sposób energią można by zasilać reakcje chemiczne czy napędzać mikro- i nanoroboty – stwierdzają naukowcy.
      To zupełnie nowy mechanizm pozyskiwania energii, mówi profesor Michael Strano. To bardzo intrygująca technologia, gdyż jedyne, czego potrzebujemy to przepływ rozpuszczalnika przez warstwę tych cząsteczek. Możemy więc mieć elektrochemię bez kabli, dodaje.
      Podczas eksperymentów naukowcy wykazali, że mogą użyć pozyskaną w ten sposób energię elektryczną podczas procesu utleniania alkoholu, który jest powszechnie używany w przemyśle chemicznym.
      Odkrycia dokonano dzięki wcześniejszym badaniom nad węglowymi nanorurkami. W 2010 roku Strano odkrył istnienie w nanorurkach zjawiska, które nazwano „falami termomocy”. Później wraz ze studentami zauważyli, że gdy część nanorurki zostanie pokryta polimerem podobnym do teflonu, pojawia się asymetria, która powoduje, że elektrony przepływają od pokrytej do niepokrytej części nanorurki, wytwarzając energię elektryczną. Elektrony te można było pozyskać z nanorurek za pomocą rozpuszczalnika.
      Naukowcy postanowili więc przeprowadzić kolejne badania. Zmielili węglowe nanorurki i utworzyli z nich płachty. Jedną stronę każdej z nich pokryli polimerem. Płachty następnie pocięto na kawałki o wymiarach 250x250 mikrometrów.
      Okazało się, że gdy takie fragmenty zostaną zanurzone w rozpuszczalniku organicznym jak acetonitryl, ten wyciąga z nich elektrony. Rozpuszczalnik wyciąga elektrony, a system próbuje osiągnąć równowagę przemieszczając je. Tam nie ma tej całej skomplikowanej chemii akumulatorów. Są tylko tylko kawałeczki umieszczone w rozpuszczalniku i z tego mamy elektryczność, wyjaśnia Strano.
      Obecny system pozwala na generowanie 0,7 wolta na cząsteczkę. Naukowcy wykazali, że są w stanie umieścić w próbówce macierze złożone z setek cząsteczek węgla. Taki reaktor wytwarza wystarczająco dużo energii, by zasilać reakcję utleniania alkoholu, podczas którego alkohol zamieniany jest w aldehyd lub keton.
      Zwykle do tego typu reakcji nie używa się procesów elektrochemicznych, gdyż wymagają one dostarczenia zbyt dużo energii z zewnątrz. Jako, że ten reaktor jest bardzo kompaktowy, jest też znacznie bardziej elastyczny niż wielkie reaktory elektrochemiczne. Użyte tutaj cząstki mogą być bardzo małe i nie wymagają zewnętrznego okablowania do przeprowadzenia reakcji elektrochemicznej, mówi jeden z autorów badań.
      Strano ma zamiar wykorzystać swój reaktor do wytwarzania polimerów wykorzystując w tym celu wyłącznie dwutlenek węgla jako materiał startowy. Już wcześniej stworzy samonaprawiające się polimery z dwutlenku węgla, która naprawiają się wykorzystując w tym celu energię słoneczną.
      W dłuższej perspektywie nowy sposób pozyskiwania energii może zostać wykorzystany do zasilania miniaturowych robotów. Perspektywa pozyskiwania przez takie urządzenia energii z otoczenia jest niezwykle kusząca. To oznacza, że nie trzeba wyposażać je w żaden mechanizm przechowywania energii. Szukamy mechanizmu, za pomocą którego przynajmniej część energii można pozyskać z otoczenia, wyjaśnia uczony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wraz ze zmianami klimatu Alaskę nawiedzają coraz poważniejsze i częstsze pożary lasów, które uwalniają do atmosfery olbrzymią ilosć węgla i azotu uwięzione w drzewach i glebie. Zjawisko takie może przyspieszyć globalne ocieplenie. Jednak najnowsze badania wskazały, że lasy liściaste, które zastępują spalone lasy iglaste, nie tylko rekompensują ten uwolniony węgiel, ale w ciągu 100 lat przechwytują i akumulują 4-krotnie więcej węgla, niż uwolniło się z zastąpionej przez nie spalonej roślinności.
      Badania, przeprowadzone przez uczonych z Northern Arizona University sugerują, że szybciej rosnące mniej palne lasy liściaste mogą działać jak stabilizujące sytuację bufory, które zapobiegają zbyt dużemu rozprzestrzenianiu się pożarów wśród lasów iglastych.
      Badania rozpoczęły się w 2004 roku, podczas sezonu olbrzymich pożarów, gdy na Alasce spłonęło 7-krotnie więcej lasów niż długoterminowa średnia. Spalone tereny były historycznie zasiedlone przez świerk czarny. Jednak po pożarach na części spalonych terenów pojawiły się szybko rosnące osika i brzoza. Naukowcy przeanalizowali 75 obszarów, na których w 2004 roku spłonęły świerki czarne i obserwowali je przez kolejnych 13 lat. Zebrali olbrzymią ilość danych z drzew i gleby w różnym wieku, porównywali intensywność pożarów, obserwowali odradzanie się roślinności.
      W 2005 roku sądziłam, że nie ma mowy, by las ten wchłonął węgiel, który utracił w czasie pożaru, mówi profesor Michelle Mack, główna autorka badań. W literaturze fachowej mamy wiele doniesień o tym, że bardzo poważne pożary uwalniają więcej węgla, niż zostanie wchłonięte przed kolejnym takim pożarem. Okazało się jednak, że drzewa liściaste nie tylko uzupełniły straty, ale zrobiły to bardzo szybko.
      Z badań wynika, że osika i brzoza rosnące na miejscu spalonych świerków akumulują węgiel szybciej niż świerk i przechowują go głównie w drewnie i liściach, a nie warstwie organicznej gleby. Z symulacji komputerowych wynika, że po 100 latach drzewa liściaste wchłoną tyle samo azotu i więcej węgla niż zostało uwolnione w czasie pożaru.
      Byłam zaskoczona, że drzewa liściaste mogą tak efektywnie wyłapać utracony węgiel, komentuje profesor Heather Alexander. Nawet gdy mamy do czynienia naprawdę z poważnym pożarem i dochodzi do uwolnienia dużych ilości węgla ze spalonych świerków, drzewa liściaste często zastępują iglaste i wykazują niesamowitą zdolność do wyłapywania i składowania węgla. To bardzo ważne spostrzeżenie w regionie, w którym powszechnie występuje jedynie 5 gatunków drzew. Badania wykazały, że pożary mogą prowadzić do dramatycznych zmian w składzie lasu i w jego zdolności do przechwytywania węgla.
      Węgiel to tylko część układanki. Wiemy, że drzewa te pomagają chłodzić lokalny klimat i są mniej palne, więc zmniejsza się prawdopodobieństwo pożarów. Biorąc pod uwagę te wszystkie czynniki możemy stwierdzić, że mamy tu do czynienia z dość silnym efektem stabilizującym klimat w lasach północy, dodaje Mack.
      Naukowcy nie znają jeszcze odpowiedzi na kilka istotnych pytań. Nie wiedzą na przykład, czy gdy dojrzałe liściaste drzewa umierają, będą zastępowane przez drzewa o tej samej strukturze i zdolności do przechwytywania węgla. Nie wiedzą również, czy po pożarze drzewa takie zachowują swoje zdolności do wychwytywania węgla.
      Zamiana wolno rosnących świerków na szybko rosnące drzewa liściaste może rekompensować skutki pożarów lasów na północy. Nie wiemy jednak, jak będzie wyglądał budżet węglowy tych lasów w miarę przyspieszania globalnego ocieplenia na większych wysokościach geograficznych, dodaje Isla Myers-Smitch z University of Edinburgh, która nie była zaangażowana w opisywane badania.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...