Turbūt ne paslaptis, kad senovės alchemikai siekė išgauti auksą iš pigesnių metalų. Ne paslaptis ir tai, kad jiems tai taip ir nepavyko. Bet štai ką žino ne visi: net ir po tūkstančių metų vis dar galutinai nesuprantame, iš kur atsiranda auksas. Kad jo yra Žemėje – akivaizdu, bet jo pirmo pasirodymo Visatoje vieta ilgai buvo kosminio masto paslaptimi.
Daugelio pažįstamų elementų – anglies, deguonies, azoto – kilmė yra aiški. Šie atomai buvo „iškepti“ žvaigždžių branduoliuose pagal termobranduolinės sintezės receptus. Bet standartinė sintezė gali sukurti tik santykinai lengvus elementus: norint sukurti sunkesnius, reikia galingesnių procesų. Bėda ta, kad tiksliai nežinome, kaip ir kur tai vyksta. Tas pats pasakytina ne tik apie auksą, bet ir apie sunkesnius, egzotiškesnius elementus. Galima sakyti, kad pusės periodinės elementų lentelės elementų kilmė dar nėra žinoma.
Galimų paaiškinimų netrūksta, ir visi jie susiję su audringomis žvaigždžių agonijomis ar kitais žvaigždiniais sprogimais. Tačiau pagaliau dabar turime tvirtus susidarančių sunkiųjų elementų susidarymo įrodymus. O įsigilinus paaiškėjo, kad jų kilmė tikriausiai daug subtilesnė, nei manėme.
Iš cheminių elementų sudaryta viskas, ką matome – taip pat ir mes patys. Suaugusiame žmoguje be visų kitų dalykų yra apie 16 kilogramų anglies, 780 gramų fosforo ir 0,2 miligramai aukso. Žvelgiant iš esmės, visi elementai sudaryti iš tų pačių trijų dalelių: branduolyje tūnančių protonų ir neutronų ir apie juos besisukančių, daug mažesnių neigiamą krūvį pernešančių elektronų.
Protonų skaičius branduolyje lemia, koks tai elementas: šeši protonai yra anglies branduolyje, o daug sunkesnio aukso branduolyje jų glaudžiasi net 79. Neutronų įprastai būna maždaug tiek pat, kiek protonų, tačiau šis skaičius kartu su branduolio mase gali šiek tiek variuoti – tai yra lengvesnės arba sunkesnės to paties elemento versijos – izotopai.
Žvaigždžių gyvenimas prasideda nuo didelės masės lengviausio elemento vandenilio, sudaryto iš protono ir elektrono. Netrukus įsižiebia termobranduolinės sintezės procesas ir vandenilio branduoliai susijungia – virsta helio branduoliais, kuriuose jau du protonai. Toks procesas tęsiasi ir sukuriami vis sunkesni elementai.
Bet tik iki tam tikros ribos. Atomų branduoliams didėjant, stiprėja ir juos vieną nuo kito stumianti elektromagnetinė jėga. Galiausiai jie nebepajėgia prisiartinti tiek, kad galėtų susijungti į sunkesnius elementus. Žvaigždėse praktiškai niekada nesusidaro branduoliai, kuriuose daugiau nei 26 protonai – geležis.
Tad kaip atsiranda sunkesni elementai? Šeštajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje fizikai, tarp kurių buvo ir Fredas Hoyle'as, suprato, kad egzistuoja ir termobranduolinės sintezės alternatyva. Čia neapsieinama be elektrinio krūvio neturinčių neutronų, tad ir elektromagnetinės sąveikos nejaučiančių, dalelių. Pagavęs skriejantį neutroną, atomas tampa sunkesniu to paties elemento izotopu. Atsidūręs branduolyje, neutronas gali beta skilimu suirti į protoną ir elektroną. Taip atomas tampa elementu, kuris vienu protonu sunkesnis.
F.Hoyle'as parodė, kad tai gali įvykti dviem būdais. Pirmasis – lėtųjų neutronų pagavimo procesas (s-procesas). Jam tereikia švelnaus neutrono prisilietimo. F.Hoyle'as manė, kad tai gali vykti mirštančiose žvaigždėse – raudonosiose milžinėse – tačiau dabar tuo šiek tiek abejojama. Raudonųjų milžinių spektroskopija rodo, kad šiose žvaigždėse sunkiųjų elementų iš tiesų yra, bet visų sunkesnių elementų taip sukurti neįmanoma. Ir šiaip, tokio sunkiųjų elementų kūrimo spartą galima būtų palyginti su ledynų slinkimu: branduolys, kuriame gali vykti s-procesas, neutroną pagauna maždaug per mėnesį. Visiems visatos sunkiesiems elementams paaiškinti to negana.
Antrasis F.Hoyle'o mechanizmas vadinamas sparčiuoju neutronų sugavimo procesu – r-procesu. Jam vykstant atomai užliejami neutronais ir greitai išauga didžiuliai. Tada radioaktyviai skildami suyra į lengvesnius, nors vis viena sunkius elementus. Manoma, taip sukuriama didžioji dalis Visatos sunkiųjų elementų, tarp kurių ir auksas.
Bet iš kur galėtų atsirasti pakankamai didelė neutronų banga? Astrofizikai ilgai manė, kad atsakymas – kataklizminiai gyvenimą pabaigusių žvaigždžių sprogimai (supernovos). Bet per pastaruosius 20 metų aptikta tokią prielaidą paneigiančių ženklų. Tarkime, supernovų sprogimų simuliacijomis gauti elementų kiekio rezultatai skyrėsi nuo empirinių, gautų spektroskopiniais tikrų sprogimų stebėjimais.
Yra ir labiau stebinantis įrodymas. Žemę kartais perskrieja supernovų sprogimų paliktos dulkės – jos patenka į atmosferą ir nusėda vandenynų dugne ir Antarktidos ledynuose. Šių dulkių kilmę nustatyti nėra sunku, nes jose yra būdingo geležies izotopo, kuris susidaro supernovoje. O aukso tose dulkėse nėra – tai įrodo, kad supernovos šio brangiojo metalo nekuria.
Tačiau net kai tokių įrodymų nebuvo, dar 1974 m., Davidas Schrammas ir Jamesas Lattimeris iš Teksaso universiteto (JAV) iškėlė mintį, kad auksas galėtų atsirasti per kitokį kosminį susidūrimą. Jei sunkiems elementams susidaryti reikia daug neutronų, tai gal jų kilmė susijusi su neutroninėmis žvaigždėmis? Jos yra neįtikėtinai tankūs materijos – kaip rodo pavadinimas, daugiausiai neutronų – kamuoliai, likę po tam tikro tipo supernovų. Neutroninės žvaigždės dažnai skrieja poromis, sukdamosis viena apie kitą, o galiausiai susiduria, sukeldamos sprogimą – kilonovą. Jos metu kilusio neutronų potvynio turėtų pakakti r-procesui, manė D.Schrammas ir J.Lattimeras.
Šio amžiaus pradžioje Brianas Metzgeris, dabar dirbantis Flatiron institute Niujorke, manė, kad auksas susidaro kilonovose. Tačiau šią idėją dar reikėjo patikrinti tvirtais duomenimis. „Ką galėtume imti ir išmatuoti teleskopu?“, – svarstė jis.
Kilonovoje vykstant r-procesui, susidaro neįtikėtinai galinga radioaktyvių skilimų kaskada, ir B.Metzgeris sumojo, kad dėl to į kosmosą turėtų pasklisti būdingas šviesos blyksnis. 2010 m. jis apskaičiavo šviesos iš elementus kuriančio neutroninių žvaigždžių susidūrimo intensyvumą. Kolegos iš Kalifornijos universiteto Berklyje dar išsiaiškino, kad kuriantis lengvesniems elementams blyksnis turėtų prasidėti nuo mėlynos spalvos, o paskui, susidarant sunkesniems elementams, tarp kurių ir auksas – slinkti į raudoną. Vadinamoji spalvos kreivė būtų įtikimas įrodymas.
Tačiau tokio dalyko paieškos pasirodė esanti, švelniai tariant, nelengva užduotis. Kartkartėmis išvysdavome danguje panašius blyksnius, bet jie dažniausiai būdavo pernelyg toli, kad galėtume bent kiek tiksliau išmatuoti jų šviesos kreivę. Tai, pavyzdžiui, nutiko 2013 m., kai „Hubble“ kosminis teleskopas užfiksavo, kaip manyta, kilonovos sukeltą gama spindulių blyksnį. Tai buvo perspektyvi blyksnio pabaigos atkarpa, tačiau per blanki, kad būtų galima tinkamai palyginti su B.Metzgerio prognozėmis.
Tuo tarpu kiti mokslininkai kūrė įrenginius, leidžiančius stebėti Visatą visiškai kitaip. Gravitacinių bangų lazerinės interferometrijos observatorijoje (angl. Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) esančiais jutikliais galima išmatuoti gravitacines bangas – galingų kosminių susidūrimų sukeltus erdvėlaikio virpesius. 2017 metais LIGO užfiksavo aiškų dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimą liudijantį signalą: artėjant vienai apie kitą besisukančioms žvaigždėms, buvo kylančio dažnio „gaudesys“, pasibaigęs „čirptelėjimu“, kai žvaigždės susidūrė.
To B.Metzgeris ir laukė. Gravitacinės bangos Žemę pasiekė anksčiau nei sprogimo šviesa, ir fizikai galėjo į šaltinį nukreipti optinius teleskopus bei pasirengti tikrinti iš mėlynos į raudoną pereinantį B.Metzgerio prognozuotą signalą. Gauti duomenys buvo tokie, kokių ir tikėtasi. Kilonova išspjovė egzotiškų elementų bangą. „Taip pirmą kartą žmonijos istorijoje tiesiogiai išvydome tų sunkiųjų elementų susidarymą“, – sako B.Metzgeris.
Bet ar per šį sprogimą susidaro auksas? Nepaneigiamiausias įrodymas būtų elemento spektroskopinis atspaudas kilonovos šviesoje. Deja, įvairių elementų spektrogramos užkloja viena kitą ir jų atskirti neįmanoma. Tačiau B.Metzgeriui tai atrodo kaip kabliukų ieškojimas. „Kuriant vieną sunkųjį elementą, reikėtų labai pasistengti tuo pačiu nesukurti ir viso jų spektro“, – teigia jis.
Daugelis fizikų dabar sutaria, kad auksas susidaro kilonovose. Bet tai dar ne istorijos pabaiga. Panašu, kad vien šiais įvykiais visų sunkiųjų elementų atsiradimo paaiškinti nepavyksta.
Tai tapo akivaizdu tiriant kai kurias Paukščių Tako galaktiką gaubiančio halo žvaigždes. Manoma, kad jos itin senos – iš tų laikų, kai jos dar praktiškai nemirė nei kaip supernovos, nei kaip kilonovos nei kaip nors kitaip. Jose neturėtų būti jokių r-proceso būdu susidarančių elementų. Jei šiuos elementus kuria kilonovos – o prieš šiai žvaigždei susidarant kilonovų nebuvo – logiška manyti, kad jų būti neturėtų.?
Tačiau nedidelė astronomų grupė, vadinamasis „R-Proceso aljansas“, kuris šias žvaigždes stebėjo nuo 2018 metų, parodė, kad kai kuriose iš jų r-proceso elementų yra daug.
