Złoto od wieków rozpala ludzką wyobraźnię. Przez setki lat bezskutecznie próbowali je wytworzyć alchemicy. Jednym ze sposobów miała była przemiana rtęci. Byli zadziwiająco blisko – a jednocześnie bardzo daleko.

Dziś wiemy, że wszystkie pierwiastki składają się atomów. Atomy zaś – z jąder, złożonych z kolei z protonów i neutronów oraz z krążących wokół jąder elektronów. O właściwościach chemicznych, czyli którym pierwiastkiem jest dany atom, decyduje liczba protonów (zwana liczbą atomową). Złoto ma ich 79, rtęć 80.

Rtęć można więc przemienić w złoto, wybijając jeden proton z jądra atomu rtęci. W praktyce to bardzo trudne. Protony i neutrony związane są oddziaływaniem silnym, nazwanym tak nie bez powodu. By je pokonać, potrzeba energii, o jakich alchemicy nie mieli wyobrażenia.

Po raz pierwszy złoto i platynę z rtęci uzyskał Hantaro Nagaoka w 1924 roku. Udało się mu to w wyniku zastosowania napięcia 150 tysięcy woltów w jednym z pierwszych akceleratorów cząstek. Rozpędzone elektrony wybiły jeden lub dwa protony z jąder rtęci, w wyniku czego powstały jądra złota i platyny.

Nukleosynteza, czyli jak powstają pierwiastki we wnętrzach gwiazd

W kosmicznej przestrzeni część pierwiastków powstaje w we wnętrzach gwiazd, gdy zderzają się jądra wodoru, helu, a potem coraz cięższych pierwiastków o coraz większej liczbie protonów i neutronów w jądrach. To proces fuzji lub syntezy termojądrowej, który jest źródłem energii gwiazd.

Proces ten jednak ustaje gdy liczba protonów wynosi 28 – czyli tyle, ile w jądrze niklu. Do syntezy cięższych pierwiastków energii nawet we wnętrzach gwiazd jest zbyt mało. Gdy dodatnio naładowanych protonów jest w jądrze atomu zbyt wiele, siła odpychania między nimi staje się zbyt wielka. Synteza, zamiast dostarczać energii, zaczyna ją pochłaniać.

Proces taki nie może zachodzić w gwiazdach. Skąd więc wzięło się w kosmosie (i na Ziemi) złoto?

Do powstania ciężkich pierwiastków potrzeba więcej energii niż w gwiazdach

Naukowcy są przekonani, że cięższe pierwiastki muszą powstawać w kosmicznych katastrofach. Wystarczająco dużo energii dostarczają wybuchy gwiazd supernowych oraz zderzenia gwiazd neutronowych.

Ale zespół z badaczy z Belgii, Japonii i Niemiec przekonuje w najnowszej pracy, że cięższe pierwiastki mogą powstawać także wokół czarnych dziur. Niektóre czarne dziury powstają w wyniku zderzenia gwiazd neutronowych (czarne dziury, jak niedawno zaobserwowano, mogą też pochłaniać gwiazdy neutronowe).

Gdy powstały obiekt ma odpowiednio dużą masę, zapada się pod wpływem jej grawitacji w czarną dziurę. Zachodzi to tak szybko, że część materii pozostaje poza horyzontem zdarzeń – granicą, zza której nic już wydostać się nie może, bo grawitacja czarnej dziury więzi nawet światło.

Resztki materii pozostałej nad horyzontem zdarzeń zaczynają wirować wokół czarnej dziury, tworząc tzw. dysk akrecyjny. Gdy krążąca materia rozpędza się do ogromnych prędkości, energii jest pod dostatkiem, by powstawało na przykład złoto. Zachodzi wtedy proces nazwany po „procesem r”. To skrót od słowa „rapid”, czyli szybki, bowiem zachodzi, gdy neutrony mają odpowiednio dużą prędkość.

Proces r polega na szybkim wychwycie przez jądro wielu neutronów. Powstaje wtedy niestabilne jądro bogate w neutrony. Rozpada się ono w serii reakcji, w których neutron zamienia się w proton (to tzw. rozpady beta minus). W ten sposób powstają „cięższe” pierwiastki, o większej liczbie protonów, czyli większej liczbie atomowej. Z żelaza może tą drogą powstać na przykład platyna, złoto, czy rtęć.

Dyski czarnych dziur produkują ciężkie pierwiastki – ale gdy mają odpowiednią masę

– Nasze badanie było złożoną komputerową symulacją tempa przemian neutronów i protonów w wielu rodzajach takich dysków. Odkryliśmy, że dyski te są bardzo bogate w szybkie neutrony, o ile spełniają pewne warunki – mówi dr Olivier Just.

Uczony tłumaczy, że kluczowa jest masa takiego dysku. Nie może być zbyt mała, bo wówczas neutrony nie będą mogły się rozpędzić. Nie może też być zbyt duża, bo wtedy zaczyna przeważać reakcja odwrotna (rozpad beta plus, w którym proton zamienia się w neutron, a w efekcie powstaje jądro o mniejszej liczbie atomowej). Z symulacji wynika, że optymalny zakres mas dysku, przy którym dochodzi do powstawania cięższych pierwiastków znajduje się między jedną setną a jedną dziesiątą masy Słońca.

Badacze uważają, że ich symulacja jest mocnym dowodem na to, że ciężkie pierwiastki mogą powstawać w procesie r w dyskach akrecyjnych wokół czarnych dziur. Sądzą też, że na podstawie symulacji będą mogli określić dokładnie, jakie promieniowanie powstaje podczas procesu tworzenia się cięższych pierwiastków. To pozwoli potwierdzić model w obserwacjach.


Źródła: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.