Foto: Index/NASA/Wikipedija

U PRETHODNOJ kolumni, pod naslovom “Zašto je potpuno nevjerojatno to što uopće postojimo”, odgovorili smo na pitanje “Što smo?”, jedno od vječnih pitanja ljudskog postojanja. Mi smo apsolutno jedinstvena i nevjerojatna nakupina od oko 7 milijardi milijardi milijardi atoma, koje je priroda sastavila od hrane koju smo naša mama i mi jeli te zraka koji smo udisali, u procesu koji je evolucija optimizirala u protekle tri i pol milijarde godina. No to nije sve: mi točno znamo koji su to atomi. 65 % našeg tijela po masi je kisik, 18,5 % je ugljik, 9,5 % je vodik, 3,2 % je dušik i tako dalje. U našem tijelu ima elemenata poput bakra, kobalta, željeza, silicija, kositra, pa čak i cinka.

U ovoj kolumni odgovorit ćemo na još jedno vječno pitanje: “Odakle dolazimo?” Kao što ćete vidjeti, odgovor je strogo znanstveni, ali istovremeno poetski i romantičan. A ako s nama ostanete do kraja ovog teksta, saznat ćete da ste zvijezda i da u skladu s time slobodno možete tražiti zvjezdani tretman.

S obzirom na to da se mi sastojimo od atoma, pitanje odakle dolazimo u biti je pitanje odakle dolaze atomi. A to znamo. Za svaki atom u našem tijelu znamo odakle dolazi. Ukratko, neki od njih dolaze od najranijih trenutaka postanka svemira, praktički iz Velikog praska, dok većina drugih dolazi iz zvijezda. Na ovoj slici je prikazan periodni sustav elemenata s porijeklom elemenata prikazanim različitim bojama, a u nastavku teksta ćemo detaljno objasniti najvažnije procese kroz koje nastaju atomi.

Sve što vidimo oko nas, svi objekti u svakodnevnom životu, Zemlja, Sunce, svi planeti, sve galaksije u vidljivom svemiru - sve se sastoji od atoma. Oni se sastoje od jezgre i elektronskog omotača, jezgra se sastoji od protona i neutrona, a ovi se sastoje od kvarkova, kao što je prikazano na donjoj slici. Sastoje li se kvarkovi od nečega, jedno je od najzanimljivijih pitanja moderne znanosti, koje istražujemo na Velikom sudaraču hadrona (Large Hadron Collider, LHC) u CERN-u. Sadašnji rezultati kažu da su i kvarkovi i elektroni manji od 0,000000000000000001 metara ili manji od milijarditog dijela jednog milijarditog dijela jednog metra.

Da bismo odgovorili na pitanje kako i kada se stvaraju atomi, ovu sliku trebamo odvrtjeti unazad: kako se stvaraju kvarkovi, kako se oni ujedinjuju u protone i neutrone, kako oni tvore jezgru atoma i kako se oko njih organiziraju elektroni u elektronski omotač. Ukratko, postoje tri glavna procesa u kojima su se stvarali ili se i dalje stvaraju atomi: jedan dio njih stvorio se vrlo brzo nakon Velikog praska, jedan dio u zvijezdama dok su gorile, a jedan dio nakon što su zvijezde završile svoj život, u spektakularnim eksplozijama supernovama ili pri ujedinjavanju neutronskih zvijezda.

Oko 10 % vašeg tijela nastalo je u Velikom prasku

Kako bismo objasnili stvaranje atoma u Velikom prasku, počnimo s kvarkovima. Njih ima šest, s imenima koje su fizičari dali kako su ih otkrivali: dolje i gore, strani i šarmantni, dno i vrh. U vrlo pojednostavljenoj slici, da bismo napravili jedan proton ili neutron, trebaju nam tri kvarka iz skupine gore i dolje; preciznije - za proton dva gore i jedan dolje, a za neutron dva dolje i jedan gore.

U malo kompleksnijoj slici (koju ovdje slobodno možete preskočiti), protoni i neutroni zapravo se sastoje od beskonačnog broja svih vrsta kvarkova i antikvarkova, te čestica koje ih vežu, tzv. gluona, a u svakom trenutku imamo tri kvarka iz skupine dolje i gore s tri različite vrijednosti specijalnog svojstva koje smo nazvali “boja”. Kvarkovi su nastali u samom početku svemira, praktički u Velikom prasku, i to iz “ničega”. Kako je moguće da u gradnji protona i neutrona zapravo ne sudjeluju samo tri kvarka već beskonačan broj, što je to “ništa”, zašto je ovdje u navodnicima, kako “nešto” može nastati iz “ničega” te kako je možda iz “ničega” nastao cijeli svemir, ostavit ćemo za neku drugu kolumnu. 

Za današnju vas molim, ako mi ne vjerujete na riječ, a ne morate, da ostavite mogućnost da je tako nešto moguće, prije nego što vas uvjerim da se to neprestano događa oko nas, u svakom trenutku. Postojanje svega oko nas, kao i nas samih, počiva upravo na tom fenomenu nastajanja nečega iz ničega, no, kao što rekoh, o tom drugom prilikom, uskoro.

Svemir je, vrlo vjerojatno, nastao prije 13,8 milijardi godina u ogromnoj eksploziji koju nazivamo Veliki prasak. Tada je temperatura i gustoća energija bila izuzetno velika pa se u takvom svemiru tri kvarka nisu mogla ujediniti i napraviti proton ili neutron, a da ih nešto ne pogodi i razdvoji. Stoga u vrlo ranom svemiru još nije bilo protona ili neutrona nego se svemir sastojao od svojevrsne juhe kvarkova, gluona, fotona, neutrina, elektrona i još nekih čestica. No kako je vrijeme odmicalo, svemir se širio, postajao je sve veći i hladniji, dok je gustoća energija opadala. Kad je bio star par sekundi, stanje je bilo takvo da su se tada tri kvarka mogla naći dovoljno dugo jedni kraj drugih, ujediniti se i napraviti protone i neutrone. Tada su nastali prvi protoni i neutroni. Neki od tih protona, u obliku jezgre atoma vodika, dio su i vašeg tijela. Stoga je otprilike 10 % vašeg tijela staro 13,8 milijardi godina. Sjetite se toga kada se ponekad osjećate staro i umorno, nije to sasvim neutemeljeno :-).

Dakle, prvi protoni i neutroni, nastali u prvim sekundama nakon Velikog praska, u sljedećih 20-ak minuta ujedinjavali su se u jezgre deuterija, tricija, helija, litija i berilija, ili su ostajali kao pojedinačni protoni, tj. jezgre vodika. Iz osnovnih principa fundamentalne fizike možemo točno izračunati koliko je kojih jezgara atoma nastalo u tim trenucima, a zaključak je da se tada svemir sastojao od 76 % jezgara vodika, 24 % jezgara helija -4 (dva protona i dva neutrona), između 0,001 % i 0,01 % helija -3 (2 protona i jedan neutron), tricija (jedan proton i dva neutrona) i deuterija (jedan proton i jedan neutron) te još manjih količina litija i berilija. Upravo je ovo predviđanje - količina lakih elemenata u ranom svemiru - i njegova precizna provjera mjerenjima, jedan od najspektakularnijih uspjeha i potvrda u prilog teorije prema kojoj je svemir nastao u Velikom prasku. Na donjoj slici prikazano je predviđanje evolucije proporcija lakih elemenata u odnosu na količinu vodika, u funkciji gustoće materije u svemiru. Vertikalna linija predstavlja mjerenje koje se u potpunosti slaže s predviđanjem teorije Velikog praska.

Nakon navedenih prvih 20-ak minuta nije se događalo ništa spektakularno par stotina tisuća godina. Svemir se širio i hladio, ali je i dalje bio pun energije, jako gust i neproziran, elektroni još nisu bili vezani za jezgre i još nije bilo atoma. No kada je svemir bio star oko 380 000 godina, odjednom se sve promijenilo: elektroni su se počeli hvatati za jezgre i to onoliko elektrona koliko ima protona u jezgri. Za vodik je to jedan elektron, za helij dva elektrona, za litij tri elektrona itd. Tako su nastali prvi atomi. Svemir je tada postao proziran, a dio elektromagnetskog zračenja koji je tada nastao i dan danas se, u obliku fotona (prijenosnika elektromagnetskog zračenja), širi svemirom. Sljedeći put kad izađete van, razmislite o ovome: kad je svemir bio star 380 000 godina nastali su neki fotoni, putovali su svemirom 13,8 milijardi godina bez da se s bilo čim sudare, te padaju na vas, na vašu kožu i sudaraju se s vama. To je možda najromantičnija spoznaja za koju osobno znam. Da na nas padaju fotoni koji su glasnici vremena kad je svemir bio star samo 380 000 godina. No, osim što padaju na nas, padaju i na naše instrumente, pa smo pomoću njih izmjerili kako je izgledao svemir u tom trenutku. Ta slika svemira spada u najljepšu znanstvenu sliku svih vremena, kao i u jednu od najljepših znanstvenih priča o spoznavanju svemira, a ispričat ćemo je u jednoj od sljedećih kolumni. Sada prelazimo na zvijezde.

Svi atomi do željeza nastali su u procesu izgaranja zvijezda

Kako se svemir širio i postao sve rjeđi i hladniji, oko mjesta u kojima je bilo malo više materije gravitacija je počela nagomilavati atome, koji su se pod utjecajem te sile sve više skupljali, sažimali i, kad su došli dovoljno blizu jedni drugih, počeo je jedan čudesan proces - nuklearna fuzija - koju mi vidimo kao isijavanje zvijezda. To se prvi put dogodilo kad je svemir bio star 550 milijuna godina i predstavlja rođenje prvih zvijezda. Jedan od procesa isijavanja, ili izgaranja zvijezda, kroz koji se stvaraju novi atomi, prikazan je na sljedećoj slici.

U ovom procesu, koji se neprestano odvija u našem Suncu, četiri protona (jezgre vodika) ujedinjuju se (fuziraju) u jezgru helija -4 i pri tome još stvaraju dva fotona, dva neutrina i dva pozitrona (anti-elektrona). Zanimljivo je da ovim fotonima treba oko 100 000 godina da se probiju do vanjskih granica Sunca, da bi potom do Zemlje stigli za samo 8 minuta. S druge strane, neutrinima treba ukupno samo 8 minuta da izravno dođu od središta Sunca do nas jer materija ne predstavlja zapreku za njihovo putovanje. Mjerenjem ovih neutrina, što je tehnološki izuzetno kompleksan proces i odvija se u napuštenim rudnicima na par tisuća metara dubine u ogromnim tankovima vode i super osjetljivim fotodetektorima, možemo praktički zaključiti što se događa u samom središtu Sunca. Zanimljivo je također da Sunce u ovom procesu pretvara masu u energiju, kroz famoznu Einsteinovu relaciju E = mc2, te svake sekunde 4 milijarde kilograma pretvori u energiju. Zamislite, svake sekunde je Sunce lakše za 4 milijarde kilograma. Ali s obzirom na to da je masa Sunca oko 2 000 milijardi milijardi milijardi kilograma, sudbina Sunca neće biti potpuno pretvaranje svoje mase u energiju nego će prije toga doživjeti puno spektakularniju sudbinu. Kakva je to sudbina, saznate ćete u sljedećoj kolumni, kroz odgovor na pitanje: “Kamo idemo?”

U sličnom procesu ujedinjavanja (fuzije) jezgara nastaju jezgre težih elemenata, dušika, kisika, ugljika, silicija, sumpora, argona, kalcija  itd. sve do nikla - najteža jezgra koja može nastati u ovom procesu. Jezgra nikla se nakon nekog vremena raspada na jezgru kobalta, a ova na jezgru željeza, pa željezo predstavlja najteži element koji se stvara u procesu nuklearne fuzije u zvijezdama.

U vidljivom svemiru ima oko 100 milijardi galaksija, a svaka ima oko 100 milijardi zvijezda. To znači da je ukupan broj zvijezda u vidljivom svemiru oko 10 000 milijardi milijardi. Ovaj broj je toliko fantastično velik, skoro pa nezamislivo velik. Ako pokušamo procijeniti koliko zrnaca pijeska ima na svima plažama na Zemlji, dobit ćemo sličan broj, pa je zaključak da zvijezda u vidljivom svemiru ima otprilike kao i zrnaca pijeska na svima plažama na Zemlji. Sjetite se ovoga kad sljedeći put odete na neku plažu i u ruku zagrabite malo pijeska. Zvijezde dolaze u raznim veličinama, od najmanjih smeđih i crvenih patuljaka, preko crvenih divova do plavih superdivova. Stvaranje atoma do željeza odvija se u masivnim zvijezdama, koje na kraju svog životnog ciklusa izgledaju kao crveni luk (ili po dalmatinski kapula), sa slojevima atoma, počevši od vodika i helija u vanjskim slojevima, pa sve do nikla i željeza u centru, kao što je prikazano na donjoj slici. A onda se dogodi nešto zaista spektakularno. I to spektakularno na kozmičkoj skali!

Barem jedna zvijezda morala je umrijeti da biste se vi rodili

Dok zvijezde gore i pretvaraju jedne jezgre atoma u druge, u njima su balansirane dvije sile: gravitacija koja ih želi sažeti i pritisak uslijed fuzije jezgri atoma koji zvijezdu pokušava raširiti i rastaviti. U Suncu su ova dva procesa u ravnoteži već skoro 5 milijardi godina, a bit će tako još par milijardi godina. Kada zvijezda iscrpi sve svoje gorivo, više nema procesa fuzije, ništa se više ne suprotstavlja sažimanju uslijed gravitacije i zvijezda se počne urušavati. U tom procesu sažimanja, koji se može odvijati i brzinama do 70 000 km u sekundi, temperatura i gustoća zvijezde dostiže izuzetno velike vrijednosti. Ako se sjećate prošle kolumne, tamo smo naučili da se atom sastoji od 99,999999999999 % praznog prostora. Pri urušavanju zvijezde nestaje sav taj prazan prostor i elektroni se nađu praktički na samoj jezgri atoma. Protoni tada hvataju elektrone i pretvaraju se u neutrone, a temperatura poraste oko 6000 puta. Pri tome se stvaraju jezgre bogate neutronima koje nemaju vremena raspasti se na protone u tako gustoj i vrućoj okolini. Tako nastaju jezgre od oko 270 neutrona, a ako im je broj veći od toga, one se raspadaju u procesu nuklearne fisije i oslobađaju mnogo energije. Sve ovo odvije se u nekoliko sekundi, pri čemu se oslobađa izvanredno velika količina gravitacijske energije, koja uzrokuje jedan od najspektakularnijih događaja u svemiru: eksploziju zvijezde nazvanu supernova. U toj eksploziji, koja je tako spektakularna da jedna zvijezda u tom trenutku zasja sjajem cijele galaksije (a galaksija ima oko 100 milijardi zvijezda), zvijezda odbaci jezgre stvorene u procesu urušavanja, koje se onda raspadaju na jezgre s manjim brojem neutrona, ali većim brojem protona, pa nastaju najteže stabilne jezgre u svemiru, jezgre olova-204, s 82 protona i 122 neutrona.

Stvaranje atoma u zvijezdama jedno je od najaktivnijih područja modernih istraživanja. Prije par tjedana znanstvenici iz NASA-inog Chandra X-ray opservatorija detaljno su analizirali ostatke supernove Kasiopeja A, ostatka zvijezde koja je eksplodirala oko 1680. godine i par tjedana bila sjajnija nego sve zvijezde u našoj galaksiji zajedno. Kasiopeja A je udaljena od nas oko 11 000 svjetlosnih godina (oko 110 milijuna milijardi kilometara) i baš zato što je tako blizu, i tako nedavno je eksplodirala, predstavlja izvanredan objekt za proučavanje kako zvijezde proizvode elemente i što se događa kada eksplodiraju. Evo što su znanstvenici saznali: eksplozija te zvijezde u svemir je poslala količinu sumpora koja odgovara masi oko 10 000 puta većoj od Zemlje, oko 20 000 masa Zemlje silicija, oko 70 000 masa Zemlje željeza i oko milijun masa Zemlje kisika. U prethodnim istraživanjima pronađen je dušik, ugljik, vodik i fosfor te kombinacijom s ostalim pronađenim elementima zaključujemo da su tijekom eksplozije u svemir razasuti svi sastavni dijelovi molekule DNA. Sav kisik u Sunčevom sustavu mogao je doći iz ovakve eksplozije, kao i na primjer polovica kalcija i 40 % željeza. Ostatak ovih elemenata vjerojatno je došao iz manjih eksplozija zvijezda. Ostatak supernove Kasiopeja A, prikazan na donjoj slici, kako ga vidimo danas, ima veličinu od oko 100 milijardi kilometara, a širi se brzinom od oko 5 000 kilometara u sekundi. Nastavit će se širiti još tisućama godina, na radost svih sadašnjih i budućih astronoma.

Kasiopeja A, ostatak eksplozije zvijezde koju zovemo supernova. Slika: NASA/CXC/SAO

Prošle godine otkriven je i sljedeći fenomen: dvije neutronske zvijezde, masa oko 1,5 puta većih od Sunca, a promjera oko 20 kilometara (neutronska zvijezda tako je gusta da jedna žličica njenog materijala ima masu oko 900 puta veću od Velike piramide u Gizi), udaljene od nas oko 130 milijuna svjetlosnih godina (jedna svjetlosna godina je oko 10 000 milijardi kilometara) uhvaćene su u svom konačnom “ljubavnom zagrljaju” nakon stotinu milijuna godina kruženja jedna oko druge. U tom ujedinjenju dogodilo se nešto zaista spektakularno: izračili su gravitacijske valove snagom većom od snage zračenja svih zvijezda u toj galaksiji zajedno, zatim se dogodila eksplozija “kilonove” kroz koju je u prostor izbačeno teških elemenata oko 16 000 puta više od mase Zemlje, a na kraju su izračene gama zrake energije veće nego što Sunce izrači u nekoliko milijardi godina. Svi ti signali putovali su 130 milijuna godina i stigli na Zemlju 17. kolovoza prošle godine. Otprilike u isto vrijeme NASA-in svemirski teleskop koji se nalazi u orbiti oko Zemlje detektirao je gama zrake, a LIGO/VIRGO detektori gravitacijskih valova u Americi i Italiji detektirali su gravitacijske valove. Vrlo brzo nakon toga o događaju su obavijestili cijelu astronomsku zajednicu na planetu pa je u kratkom vremenu čak 70 teleskopa i drugih instrumenata na Zemlji i u orbiti oko nje detektiralo signale u raznim područjima elektromagnetskog spektra. Bila je to jedna od najzanimljivijih kampanja promatranja jednog nebeskog fenomena u povijesti znanosti. Rezultati ovog istraživanja pokazali su da se, na primjer, u ujedinjenju ovih neutronskih zvijezda proizvelo zlata i platine mase oko 10 puta veće od mase Zemlje. Sljedeći put kada vam netko pokloni zlato, sjetite se da je taj vrijedni poklon proizveden u spektakularnom sjedinjenju dviju neutronskih zvijezda. S druge strane, ako vi odlučite nekome pokloniti zlato, slobodno mu možete reći da ste za njega “skinuli zvijezde s neba”.

Ako ste uspjeli doći do kraja ovog teksta, zaslužili ste nagradu u vidu zaključka. Dakle, mi se sastojimo od atoma, a ti atomi su najvećim dijelom došli iz zvijezda, bilo za vrijeme dok je zvijezda sjala, ili pak u supernovi - spektakularno eksplozivnom događaju umiranja te zvijezde. Stoga je zaključak da ste i vi zvijezda i da slobodno možete zatražiti zvjezdani tretman. To je najmanje što možete učiniti za atome u vama - oni vas na čudesan način povezuju s Velikim praskom, središtima zvijezda u kojima je temperatura i po 100 milijuna stupnjeva Celzijevih ili s eksplozijama u kojima zvijezda na kratko nadsja cijelu galaksiju. Vi ste djeca Velikog praska i zvijezda, tako se i osjećajte :-).

*Stavovi izneseni u kolumnama i komentarima su osobni stavovi autora i ne odražavaju nužno stav redakcije portala Index.hr. Navedeni stavovi ne odražavaju ni stav bilo koje ustanove, subjekta ili objekta s kojima je povezan autor.

 ****Fizičar Ivica Puljak redoviti je profesor fizike na FESB-u u Splitu. Doktorirao je na sveučilištu Pierre i Marie Curie u Parizu. Vodio je grupu od više od 100 svjetskih znanstvenika unutar CMS kolaboracije koji su radili na otkriću Higgsova bozona. Bio je pridruženi znanstvenik na CERN-u i gostujući profesor na Ecole polytechnique, gdje je predavao fiziku Higgsovog bozona. Član je kolaboracija MAGIC i CTA koje upravljaju teleskopima za astročestičnu fiziku. Trenutačno predaje na međunarodnim školama, član je odbora HEPP Europskog fizikalnog društva, član Programskog odbora za znanstvenu infrastrukturu za Obzor 2020 pri Europskoj komisiji i predsjednik savjetodavnog odbora CERN-ove škole znanstvenog računanja. Aktivni je popularizator znanosti i dobitnik brojnih domaćih i svjetskih nagrada.

Želite li momentalno primiti obavijest o svakom objavljenom članku vezanom uz Index Lab, instalirajte Index.me aplikaciju i pretplatite se besplatno na tag: Index Lab

Index.me aplikaciju za android besplatno možete preuzeti na ovom linku, dok iPhone aplikaciju možete preuzeti ovdje.