Nowe obserwacje w promieniach X ujawniają, iż gwałtowne wybuchy gwiazd tworzą znacznie więcej chloru i potasu, niż zakładały dotychczasowe modele. To idealny przepis na życie.
Jedna z najsłynniejszych supernowych w Drodze Mlecznej właśnie odsłoniła brakujący fragment kosmicznego przepisu na życie. Dzięki danym z satelity XRISM astrofizycy odkryli, iż szczątki gwiazdy Cassiopeia A są niespodziewanie bogate w chlor i potas. Są to najważniejsze dla chemii organizmów i powstawania planet skalistych pierwiastki. Ilości tych składników są choćby 10 razy większe, niż przewidywały modele teoretyczne.
Kosmiczna kuchnia pierwiastków życia
Skąd się tak naprawdę wszyscy wzięliśmy? Wiadomo, iż wiele pierwiastków rodzi się w jądrach gwiazd i w potężnych wybuchach supernowych, które rozsiewają materiał po galaktyce. Od lat problemem były jednak chlor i potas, mające nieparzystą liczbę protonów. Obserwacje kosmosu pokazywały, iż jest ich znacznie więcej, niż wynikałoby to z obliczeń. Modele sugerowały, iż gwiazdy powinny produkować zaledwie około 1/10 tego, co rzeczywiście widać w galaktyce.
Gdzie więc powstaje reszta? Najnowsza analiza Cassiopei A dosłownie wskazuje palcem na supernowe jako główne źródło tej nadwyżki. I to w dużo większym stopniu, niż do tej pory podejrzewano. Chlor odpowiada np. za równowagę jonową w komórkach i chemię wody, a potas za przewodzenie impulsów elektrycznych w nerwach oraz pracę mięśni. Bez nich trudno wyobrazić sobie życie w znanej nam formie, ale trudno też zrozumieć, skąd wzięły się w takiej ilości w materii, z której powstały planety.
XRISM zagląda w szczątki Cassiopei A
Żeby zmierzyć ilości rzadkich pierwiastków w pozostałości po supernowej, potrzebne było narzędzie, które widzi ich ślady w promieniowaniu X z niezwykłą dokładnością. Takim instrumentem jest Resolve, czyli mikrokalorymetr znajdujący się na pokładzie satelity XRISM wystrzelonego przez japońską agencję kosmiczną JAXA w 2023 r.
Mikrokalorymetr to detektor, który mierzy energię pojedynczych fotonów promieniowania X poprzez minimalne zmiany temperatury w swoim wnętrzu. Dzięki temu potrafi rozróżnić linie widmowe, czyli charakterystyczne odciski palców pierwiastków, z dokładnością choćby 10 razy lepszą niż wcześniejsze detektory. To jak zamiana rozmazanego szkicu na ostry, wysokiej rozdzielczości obraz.
Zespół z Kyoto University i Meiji University skierował XRISM na Cassiopeię A, czyli gazową chmurę i rozgrzane odłamki, które zostały po wybuchu masywnej gwiazdy w naszej galaktyce. Analiza widma promieniowania X ujawniła wyraźne linie emisyjne chloru i potasu – nie tylko obecne, ale zdecydowanie silniejsze, niż przewidywały standardowe modele wybuchu.
Chlor i potas – brakujące składniki w kosmicznym przepisie
Gdy naukowcy porównali ilości chloru i potasu wyliczone z danych XRISM z wynikami symulacji, okazało się, iż supernowa w Cassiopei A wyprodukowała ich zaskakująco dużo. Co najważniejsze, pojedynczy wybuch jest w stanie wygenerować tyle tych pierwiastków, by zapełnić lukę między tym, co powinno powstać według starych modeli, a tym, co rzeczywiście widać w kosmosie.
To pierwszy raz, kiedy udało się obserwacyjnie potwierdzić, iż jedna supernowa może być tak wydajną fabryką pierwiastków związanych z życiem. W ten sposób Cassiopeia A pomaga rozwiązać wieloletnią zagadkę brakujących elementów. Okazuje się, iż po prostu niedoszacowaliśmy ich produkcji w ekstremalnych warunkach wnętrz masywnych gwiazd i samych eksplozji.
Co dzieje się w głębi masywnych gwiazd?
Skąd jednak bierze się ten nadmiar chloru i potasu? Zespół wskazuje na intensywne mieszanie się warstw wewnątrz gwiazd. W masywnych obiektach tuż przed wybuchem supernowej zachodzą skomplikowane procesy: różne strefy jądrowe, w których powstają kolejne, cięższe pierwiastki, mogą na siebie nachodzić, mieszać się i wymieniać materiał.
Za takie mieszanie może odpowiadać szybka rotacja gwiazdy, oddziaływania z towarzyszem w układzie podwójnym czy zjawiska na styku sąsiadujących powłok, określane jako zlewanie się skorup reakcji jądrowych. W efekcie pierwiastki, które normalnie powstawałyby w wąskich, oddzielonych strefach, trafiają do wspólnego tygla, a ich produkcja rośnie ponad to, co przewidywały proste modele, zakładające spokojne, warstwowe wnętrze gwiazdy.
Eksplozja supernowej tylko utrwala ten chaotyczny obraz: wstrząs fali uderzeniowej miesza wszystko jeszcze raz i wyrzuca na zewnątrz gotową mieszaninę, w której chlor i potas pojawiają się w ilościach nie do zignorowania.
Co dalej?
Dalszy plan naukowców zakłada obserwacje kolejnych pozostałości po supernowych, aby sprawdzić, czy podwyższone ilości chloru i potasu to przypadek, czy nowa reguła. jeżeli podobny nadmiar pierwiastków pojawi się również w innych obiektach, będzie to mocny argument, iż intensywne mieszanie we wnętrzach gwiazd jest powszechnym etapem ich życia.
Każda kolejna supernowa, którą XRISM prześwietli w promieniach X, stanie się kolejnym rozdziałem historii o tym, jak Wszechświat budował swoje chemiczne zaplecze. Autorzy pracy podkreślają, iż czują się uprzywilejowani, mogąc choćby w niewielkim stopniu dołożyć cegiełkę do odpowiedzi na pytanie, jak narodziła się Ziemia i życie. To dopiero ułamek wielkiej opowieści, ale teraz wiemy, iż w przepisie na życie trzeba koniecznie dopisać: dodać szczyptę chloru i potasu prosto z piekła supernowej.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
