Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Na pytanie „co trzymam w ręce” można zawsze odpowiedzieć „trzymasz w ręce popioły gwiazd”. I będzie to poprawna odpowiedź. Po prostu prawie wszystko co nas otacza składa się z atomów, których jądra powstały w gwiazdach. W pierwotnej nukleosyntezie powstały wodór, hel i trochę litu. Cała reszta pierwiastków powstała w gwiazdach. Powoduje to pewien problem, bo jeżeli ciężkie pierwiastki czyli prawie wszystko z czego składa się materia Ziemi powstało w gwiazdach to aby znaleźć się w obecnych miejscach, czyli m.in. na Ziemi pierwiastki te musiały się jakoś z gwiazd wydostać. Na szczęście istnieją mechanizmy powodujące wydostawanie się materii z gwiazd. Nie wchodząc w szczegóły gwiazdy praktycznie przez cały czas swego istnienia wytwarzają wiatr gwiazdowy czyli wyrzucają ze swej powierzchni materię. Wprawdzie wiatr gwiazdowy to zwykle bardzo mała w stosunku do masy gwiazdy ilość atomów jednak w pewnych okresach słabiutki wiatr zmienia się w prawdziwy huragan wyrzucający w przestrzeń całość zewnętrznych warstw gwiazdy. To w przypadku stosunkowo lekkich gwiazd.

Ciężkie gwiazdy kończą żywot jako supernowe. Znowu nie wchodząc w szczegóły supernowa po prostu rozlatuje się rozsiewając w otaczającej przestrzeni ciężkie pierwiastki. Tak więc nie ma problemu z mechanizmami wydobycia metali z gwiazd. Tu warto zwrócić uwagę na to, że astronomowie mają zwyczaj nazywać wszystkie pierwiastki cięższe od helu metalami – z punktu widzenia astronoma typowe metale to węgiel, tlen, azot czy siarka. Chemikowi więc lepiej o tym za wiele nie opowiadać!

Wiemy w jaki sposób ciężkie pierwiastki znajdują się w przestrzeni międzygwiezdnej. I międzygalaktycznej, bo szczątki supernowych rozbiegają się z prędkościami rzędu dziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę a taka prędkość w małej galaktyce wystarcza by ją opuścić. Jak z tego widać w przestrzeni metali powinno być sporo pomimo tego, że pierwotnie ich tam nie było. I nie trudno zauważyć, że w miarę upływu czasu ilość metali powinna rosnąć. Wzbogacone o metale chmury gazu kurcząc się tworzą nowe gwiazdy, już nieco bogatsze w metale. Po prostu każde pokolenie gwiazd dorzuca do Wszechświata swoją część metali. Dlatego mierząc ilość metali w gwieździe można z grubsza określić kiedy powstała.

Znowu nie wchodząc w szczegóły można podzielić gwiazdy na populacje. Do tej pierwszej należą gwiazdy stosunkowo bogate w metale. Należy do nich oczywiście Słońce. Oczywiście, bo gdyby nie było bogate (bogate czyli ok. 1% masy) w metale to nie mogło by mieć planet takich jak Ziemia, zbudowanych głównie z metali. A to oznacza, że nie mogło by na nich być nas! To ostatnie otwiera pole do bardzo interesujących rozważań dotyczących tego gdzie może powstać życie, bo znowu oczywiście może powstać jedynie tam gdzie jest odpowiednia ilość metali. A że w Galaktyce jest wyraźny gradient metaliczności więc można dywagować w jakich okolicach Mlecznej Drogi szukać Obcych. Ale nie to jest tematem poniższych rozważań.

Jeżeli są gwiazdy I populacji to nietrudno się domyśleć, że są i gwiazdy II populacji, znacznie uboższe w metale. A że ilość metali rośnie z wiekiem Wszechświata to gwiazdy II populacji są stare bo powstawały w czasach gdy metali było mniej. Gwiazdy II populacji łatwo rozpoznać bo zewnętrzne warstwy gwiazdy nie mieszają się z tymi leżącymi głębiej i skład powierzchni gwiazdy nieźle reprezentuje skład mgławicy z której gwiazda powstała (dlatego „normalny” wiatr gwiazdowy w nikłym stopniu wzbogaca przestrzeń w metale). Wystarczy więc zmierzyć widmo gwiazdy, określić obfitość metali w jej atmosferze i już wiemy czy mamy do czynienia z I czy II populacją gwiazdową.

I w tym momencie pojawia się rzeczywiście bardzo ciekawe zadanie – znaleźć gwiazdę pozbawioną metali. Taka gwiazda należałaby do pierwszego pokolenia gwiazd i byłaby świadkiem powstawania pierwszych gwiazd i galaktyk. Badając ją moglibyśmy się więc wiele dowiedzieć o historii Wszechświata. Nic więc dziwnego, że takich gwiazd się poszukuje. Właściwie to poszukuje się gwiazd o możliwie małej zawartości metali, bo już takie mogą nam wiele powiedzieć o dziejach Wszechświata. I mimo osiągnięcia wielu „rekordów” w tym zakresie nie udało się znaleźć gwiazdy całkowicie pozbawionej metali. Jedyne co w tym zakresie ustalono to to, że takie całkowicie pozbawione metali gwiazdy określilibyśmy jako gwiazdy III populacji.

W tym momencie należy zwrócić uwagę na jeden fakt. Otóż czas życia gwiazdy zależy od jej masy. Im gwiazda masywniejsza tym większa gęstość i temperatura w jej wnętrzu. Im wyższa temperatura tym większa energia zderzeń a im większa gęstość tym zderzeń więcej. W sumie jedno i drugie powoduje większą ilość reakcji termojądrowych a więc szybsze zużycie paliwa. Dodajmy nieproporcjonalnie szybsze. Dlatego im gwiazda masywniejsza tym jest (dużo) jaśniejsza i dużo krócej żyje. I tak gwiazda o masie zbliżonej do Słońca zużywa swoje zapasy paliwa w ciągu kilku, kilkunastu miliardów lat. To czas bliski wiekowi Wszechświata. Dlatego gwiazda nieco lżejsza od Słońca powstała na początku istnienia Wszechświata mogła by, jako bardzo stary i kończący swój gwiezdny żywot obiekt, dotrwać do naszych czasów.

Lekka gwiazda o masie kilkunastu procent masy Słońca, będzie żyć około stu miliardów lat, a po kilkunastu miliardach lat dzielących nas od Big Bangu będzie jeszcze całkiem młodą gwiazdą mającą za sobą względnie małą część życia. Tym samym poszukiwania w naszym sąsiedztwie lekkich gwiazd III populacji jest całkiem sensowne. Z drugiej strony znaczna część gwiazd III populacji musiała być gwiazdami bardzo masywnymi. Po prostu dlatego, że zdążyły zakończyć swe życie zanim pojawiły się gwiazdy II populacji, bo jak pamiętamy te ostatnie mając pewną zawartość metali musiały powstać z gazu który został wzbogacony „popiołami’ wcześniejszych gwiazd.

Tak więc przynajmniej część gwiazd trzeciej populacji musiała być gwiazdami bardzo masywnymi o masach rzędu kilkuset mas Słońca. Są mocne argumenty za takimi wartościami. Po prostu jednorodna masa gazu jest nieprzeźroczysta dla promieniowania które emituje. Z elementarnych własności oddziaływania promieniowania z materią wynika, że dany rodzaj materii emituje i absorbuje te same częstotliwości. Dlatego foton wyemitowany w centrum jednolitej wodorowo-helowej mgławicy bardzo szybko jest absorbowany.

Efekt jest taki, że mgławica traci energię bardzo wolno – zanim porcja energii wygenerowana w centrum mgławicy dojdzie do jej brzegu i ją opuści mija ogromny czas. A warunkiem kurczenia się mgławicy jest utrata energii potencjalnej. Oczywiście niewielki dodatek metali znakomicie rzecz przyspiesza. Foton emitowany przez metal w praktyce może być zaabsorbowany przez taki sam metal. A ponieważ metali niewiele droga swobodna takiego fotonu długa. Długa droga swobodna to mniej absorpcji i emisji w drodze do brzegów mgławicy. W sumie proces wygląda tak, że atom metalu wzbudza się w wyniku zderzenia z wodorem, lub helem, następnie emituje foton który w miarę szybko opuszcza mgławicę, a następne zderzenie wzbudza metal i proces się powtarza. Dzięki utracie energii mgławica kurczy się i ma szanse stać się gwiazdą. Oczywiście im większa masa mgławicy tym silniejsza grawitacja i łatwiej o kurczenie. Dlatego na to by nastąpiło kurczenie potrzebne są metale lub odpowiednio duża masa.

W rzeczywistości rzecz jest znacznie bardziej skomplikowana i nawet przy zupełnie sporej ilości metali mgławica o masie rzędu masy Słońca nie skurczy się pod wpływem własnej grawitacji. Masa wystarczająca do rozpoczęcia kurczenia mgławicy musi być znacznie większa i jednocześnie powstaje kilkaset gwiazd a i tu potrzebny jest „na początek” jakiś impuls typu wybuchu w sąsiedztwie supernowej. Jednak obraz się wyłania. Pierwsze gwiazdy muszą być duże aby przy braku metali mogły powstać. Jednak z drugiej strony i tak gwiazdy powstają w gromadach. Można więc twierdzić, że w III populacji po prostu powstają większe gromady ale wśród powstających gwiazd bywają i te większe i trochę tych mniejszych.

W sumie trzeba zobaczyć jak jest naprawdę. A to w zasadzie jest zupełnie proste. Ponieważ prędkość światła jest skończona to patrząc odpowiednio daleko widzimy Wszechświat taki jakim był bardzo dawno. Wystarczy więc spojrzeć odpowiednio daleko. W praktyce daleko oznacza bardzo mało światła. Jak wiadomo im obserwowany obiekt jest dalej tym do nas dochodzi mniej światła. Dla bliskiego Wszechświata dziesięć razy dalej to sto razy mniej światła czyli osłabianie światła zachodzi proporcjonalnie do odwrotności kwadratu odległości. Niestety to tylko w bliskim nam Wszechświecie.

Gdy mamy do czynienia z naprawdę dużymi odległościami zaczyna mieć znaczenie fakt, że Wszechświat się rozszerza. Rozszerzanie Wszechświata powoduje szybszy spadek ilości fotonów przypadający na powierzchnię obiektywu teleskopu niż byłoby to w niezmiennym Wszechświecie. Do tego jeszcze każdy foton traci energię w wyniku ekspansji Wszechświata. Dokładniej długość jego fali rośnie w takim samym stosunku jak rosną rozmiary Wszechświata. A więc światła jest mniej a na dodatek jest to światło mniej „jasne”. Dlatego nie ma możliwości obserwacji gwiazd we wczesnym Wszechświecie. Po prostu chwilowo nie ma tak dużych teleskopów. Może za kilka (naście?) lat gdy wejdzie do eksploatacji seria super olbrzymich teleskopów o średnicach rzędu kilkudziesięciu metrów (np. europejski dla którego planuje się średnicę 39 metrów). Ale tu mocno ograniczy możliwość obserwacji dalekich obiektów atmosfera.

Obecnie obserwowane „krańce Wszechświata” odpowiadają przesunięciu ku czerwieni około dziesięciu. I w tych odległościach najwyraźniej są metale. Niedużo ale są - obserwowane w tych odległościach galaktyki mają w widmach linie metali. Gwiazdy III populacji powinny więc powstać wcześniej czyli leżeć dalej. Pamiętajmy dalej w astronomii oznacza wcześniej. I od razu pojawia się problem. Bliskie galaktyki obserwujemy w tych długościach fal które przechodzą przez atmosferę. Fale krótsze czyli nadfiolet blokuje ozon (na szczęście bo nadfiolet jest kancerogenny). Nie przechodzą też fale dłuższe blokowane przez gazy cieplarniane. Dodajmy, wbrew temu co słyszymy w mediach, też na szczęście – bez zjawiska cieplarnianego średnia temperatura Ziemi spadła by o około 30 stopni a oceany zamarzły by nawet na równiku. Podobno takie zjawisko w historii Ziemi już miało miejsce i prawie doprowadziło do zaniku życia na planecie. Jak twierdzą specjaliści było to spowodowane nadmiernie bujnym rozwojem roślinności wychwytującej CO2 z atmosfery. Jednak z punktu widzenia astronomii i obserwacji dalekiego Wszechświata mamy kłopot.

Bardzo odległe obiekty obserwujemy w świetle bardzo mocno przesuniętym ku czerwieni. Dlatego w ziemskich teleskopach możemy zobaczyć światło widzialne które zostało wyemitowane jako nadfiolet i to bardzo odległy od światła widzialnego. Oczywiście nie możemy w tych zakresach obserwować bliskich galaktyk. Podobnie, światło w którym moglibyśmy porównać własności odległych galaktyk z tymi bliższymi przychodzi do nas w dalekiej podczerwieni niemożliwej do obserwacji z powierzchni Ziemi. Dlatego nawet ogromne kilkudziesięciometrowe teleskopy zamontowane na powierzchni Ziemi automatycznie problemu nie rozwiążą.

Aby szukać gwiazd III populacji trzeba będzie porównywać obserwacje z wielkich teleskopów naziemnych i z dużo mniejszych ale umieszczonych na satelitach gdzie ograniczenia wynikające z atmosfery nie istnieją. Oczywiście wszystko po to by porównywać własności bliskich nam obiektów w nieosiągalnych na Ziemi zakresach widma z własnościami widm galaktyk z „krańców Wszechświata” w tych zakresach promieniowania, które są osiągalne z powierzchni Ziemi. I nawet wówczas nie będzie łatwo. Zwłaszcza jeżeli gwiazdy III populacji są wyłącznie bardzo wielkie. W takim przypadku okres ich istnienia jest bardzo krótki i trafienie w niego nie będzie łatwe bo widzielibyśmy je w stosunkowo wąskim zakresie przesunięć ku czerwieni.

Pozostaje oczywiście poszukiwanie lekkich gwiazd tej populacji. Powinny żyć długo, więc i zakres przesunięć ku czerwieni będzie większy. Gdyby istniały gwiazdy tej populacji o masach rzędu 2-3 dziesiątych masy Słońca to powinny istnieć do teraz i możemy ich szukać wszędzie, nawet w najbliższym sąsiedztwie Słońca. Jednak te gwiazdy byłyby niezbyt jasne. W Galaktyce nie wyróżniałyby się niczym, nawet miejscem – w odróżnieniu od gwiazd II populacji których miejsce w Mlecznej Drodze jest dobrze określone (gruby dysk i halo) gwiazdy trzeciej populacji mogą być wszędzie. Tym samym ich znalezienie blisko nas jest wyłącznie kwestią szczęścia, a że w oczy się nie rzucają więc i szczęście musiałoby być spore.

Niestety podobnie można oceniać szanse znalezienia ich nieco dalej. Jako gwiazdy o masach kilku mas Słońca nie byłyby zbyt jasne a … jako gwiazdy o masach kilku mas Słońca i powstałe bardzo dawno mogą istnieć tylko dosyć daleko i w tej nawet kosmologicznie umiarkowanej odległości są bardzo mało jasne. Poza tym warto zdać sobie sprawę i z tego, że fakty negatywne ze swej natury sprawiają kłopot. W tym przypadku trzeba zmierzyć widmo w którym nie ma metali. I zawsze jest możliwość, że metali tych w widmie nie udało się zobaczyć bo jakiś mechanizm ich linie zamaskował. Inaczej mówiąc by być pewnym, że gwiazda metali nie zawiera trzeba mieć widmo znacznie lepszej jakości niż w przypadku gdy te metale rejestrujemy. Skąd więc pewność, że gwiazdy III populacji istniały? Tylko stąd, że nie znamy innego mechanizmu niż właśnie te gwiazdy a mogącego wyprodukować metale widoczne w widmach starych gwiazd.

Nie jest to komfortowa sytuacja w okresie historycznym gdzie „prawdziwe nauki to nauki empiryczne” a „doświadczenie i obserwacja to główne kryteria prawdy naukowej”. Stąd i pilne poszukiwania. Ostatnie zdania mogą być uznane za pewną kpinę z empiryzmu (i rzeczywiście taką są – już od połowy XX wieku zdajemy sobie sprawę z tego, że postulaty skrajnego empiryzmu (pozytywizmu) nie są realne do spełnienia i powtarza się je studentom jedynie w kursowych wykładach z mechaniki kwantowej n.b. opowiadających o osiągnięciach nauki z pierwszej połowy XX wieku czyli pochodzących z czasów popularności pozytywizmu – por. np. M.Heller „Filozofia i Wszechświat”).

Jednak niewiele da się w tej dziedzinie zrobić poza próbą postępu w teorii. I oczywiście liczeniem na szczęście polegające na znalezienia lekkiej gwiazdy o dobrze określonym widmie w którym nie znajdziemy żadnej linii widmowej którą dało by się przypisać czemuś cięższemu od litu.

Autor: dr Jerzy Kuczyński