Δ. Σιμόπουλος : Η προέλευση του χρυσού

Πορεία συγχώνευσης δύο άστρων νετρονίων. Η σύγκρουσή τους θα προκαλέσει τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας, και την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων και εκλάμψεων ακτίνων Γάμμα.

Πριν από δύο χρόνια, στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, οι δύο ανιχνευτές LIGO στις Πολιτείες Λουϊζιάνα και Ουάσιγκτον των ΗΠΑ, απέδειξαν για πρώτη φορά την ύπαρξη Βαρυτικών Κυμάτων που προέρχονταν από την σύγκρουση και συγχώνευση δύο Μαύρων Τρυπών η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες.
Μερικούς μήνες αργότερα, στις 26 Δεκεμβρίου 2015, παρατηρήθηκε ένα δεύτερο παρόμοιο σήμα από δύο μικρότερες μαύρες τρύπες (14 και 8 ηλιακών μαζών), ενώ ένα τρίτο σήμα παρατηρήθηκε ένα χρόνο αργότερα, στις 4 Ιανουαρίου 2017, το οποίο προέρχονταν κι αυτό από την σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών (αυτή τη φορά 31 και 19 ηλιακών μαζών). Εάν μάλιστα αληθεύουν κι οι φήμες που κυκλοφόρησαν στα μέσα Αυγούστου τότε οι ανιχνευτές LIGO εντόπισαν και μία τέταρτη σύγκρουση η οποία δημιούργησε βαρυτικά κύματα από την συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων (πάλσαρ) που αυτή τη φορά βρίσκονταν στον γαλαξία NGC4993 σε απόσταση 130 εκατομμυρίων ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Ύδρας.
Τέτοιου είδους συγκρούσεις ήταν αναμενόμενες από το 1974 όταν δύο αμερικανοί αστροφυσικοί, ο καθηγητής Joseph Taylor και ο μεταπτυχιακός του φοιτητής Russel Hulse, ανακάλυψαν συνολικά 40 νέα πάλσαρ, μεταξύ των οποίων κι ένα διπλό σύστημα άστρων νετρονίων. Σύμφωνα με την Γενική Σχετικότητα του Άλμπερτ Αϊνστάιν τα δύο αυτά πάλσαρ θα έπρεπε να εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες βαρυτικής ακτινοβολίας και ως εκ τούτου θα έπρεπε να χάνουν ενέργεια με αποτέλεσμα οι τροχιές τους να ελαττώνονται συνεχώς και η περίοδος περιφοράς τους να μικραίνει με αποτέλεσμα να συγκρουστούν σε περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια αφού σύμφωνα με τον Einstein ένα τέτοιο διπλό αστρικό σύστημα εκπέμπει βαρυτικά κύματα και γι’ αυτό η περίοδος της τροχιάς του μικραίνει όλο και πιο πολύ.
Παρόλο που οι μεταβολές που μετρήθηκαν ήταν πάρα πολύ μικρές, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προέβλεπε η Γενική Σχετικότητα, γεγονός που αποτελούσε μια έμμεση έστω ένδειξη ότι τα βαρυτικά κύματα που προέβλεψε ο Αϊνστάιν έπρεπε όντως να υπάρχουν. Για την ανακάλυψή τους αυτή οι δύο ερευνητές έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1993, αφού ο εντοπισμός του διπλού αυτού πάλσαρ θεωρήθηκε ότι πρόσθετε ένα φυσικό εργαστήριο για την μελέτη της βαρύτητας και των βαρυτικών κυμάτων που σύμφωνα με την θεωρία θα έπρεπε να εκπέμπονται.
Ως γνωστόν η ύπαρξη των πάλσαρ είναι αποτέλεσμα της απότομης και υπερβολικά γρήγορης βαρυτικής κατάρρευσης των υλικών της καρδιάς ενός γιγάντιου άστρου και στη τρομαχτική συμπίεση του αστρικού κέντρου. Κάτω από την τεράστια αυτή συμπίεση τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται με τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια του πυρήνα με αποτέλεσμα την δημιουργία νετρονίων και νετρίνων. Κι ενώ τα νετρίνα δραπετεύουν άμεσα από το άστρο, μεταφέροντας μάλιστα και αρκετή από την ενέργειά του, τα νεοσχηματισμένα νετρόνια παραμένουν εκεί και ενώνονται με τα ήδη υπάρχοντα νετρόνια των ατομικών πυρήνων. Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιας σφαίρας μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το Σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων που περιστρέφεται σαν σβούρα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο είναι το κεφάλι μιας καρφίτσας, θα "ζύγιζαν" ένα εκατομμύριο τόνους, όσο δέκα σύγχρονα αεροπλανοφόρα, ενώ ένα μωρό 5 κιλών στην επιφάνειά του θα "ζύγιζε" 50 εκατομμύρια τόνους! Αν η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου "Ειρήνης και Φιλίας".
Όταν λοιπόν δύο τέτοια άστρα νετρονίων βρεθούν το ένα δίπλα στο άλλο, αρχίζει ένας ναπολιτάνικος χορός που αργά ή γρήγορα θα καταλήξει στην σύγκρουσή τους και στη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας με το 90% των υλικών των δύο πάλσαρ. Κατά την διάρκεια όμως της σύγκρουσης μία ποσότητα υλικών ίση με χίλιες φορές τα υλικά της Γης μετατρέπονται σε βαρέα χημικά στοιχεία μεταξύ των οποίων και ο χρυσός σε ποσότητα που υπολογίζεται ότι φτάνει τις δέκα σεληνιακές μάζες. Γι’ αυτό, η πρώτη ύλη που δημιούργησε το χρυσό σας δαχτυλίδι, το βραχιόλι, το περιδέραιο ή οτιδήποτε άλλο χρυσό αντικείμενο έχετε στη διάθεσή σας, προέρχεται από τις συγκρούσεις τέτοιων διπλών πάλσαρ οι οποίες, μαζί με την δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας, την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων και εκλάμψεων ακτίνων γάμα, δημιουργούν επίσης και το σπάνιο και πανάκριβο αυτό χημικό στοιχείο του χρυσού.

ΥΓ.

Επειδή ορισμένοι φίλοι μου ζήτησαν επί πλέον διευκρινήσεις για το άρθρο μου στην “Καθημερινή” επιτρέψτε μου να επαναλάβω κι εδώ ότι το άρθρο αυτό είναι απλώς ένα εκλαϊκευτικό άρθρο που γράφτηκε “εξ αφορμής” της επετείου του πρώτου εντοπισμού βαρυτικών κυμάτων από την σύγκρουση μαύρων τρυπών στις 14 Σεπτεμβρίου 2015, αλλά και της φήμης που κυκλοφόρησε στα μέσα Αυγούστου 2017 για τον εντοπισμό βαρυτικών κυμάτων από την σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων στον γαλαξία NGC4993. Να επισημάνω επίσης ότι το κύριο θέμα του άρθρου ΔΕΝ είναι ο τρόπος δημιουργίας των βαρέων χημικών στοιχείων και μόνο στην τελευταία περίοδο αναφέρονται τα περί δημιουργίας του χρυσού (από την οποία πήρε το άρθρο και τον τίτλο του) από συγκρούσεις άστρων νετρονίων, χωρίς φυσικά να προσδιορίζει ότι αυτός είναι και ο μοναδικός τρόπος της δημιουργίας των βαρέων στοιχείων. Επί πλέον ένα τέτοιο άρθρο περιορίζεται σε λιγότερο από 700 λέξεις, απευθύνεται σε ένα ευρύ κοινό που δεν γνωρίζει τα της πυρηνοσύνθεσης και δεν είναι κάποια πραγματεία που χρειάζεται αποδείξεις και παραπομπές. Γι’ αυτό ας περιμένουμε λίγο ακόμη μέχρις ότου το LIGO μας αποκαλύψει τη σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων ή ενός άστρου νετρονίων και μιας μαύρης τρύπας, ενώ τα άλλα ευαίσθητα όργανά των τηλεσκοπίων μας ίσως μπορέσουν να καταγράψουν την περιεκτικότητα των “προϊόντων” τέτοιων συγκρούσεων. Υπάρχουν δηλαδή διφορούμενες απόψεις και η τελική απάντηση δεν έχει ακόμη δοθεί. Γιατί στη διαδικασία μετατροπής ενός γιγάντιου άστρου σε σουπερνόβα το κρουστικό κύμα που κατευθύνεται από το κέντρο του άστρου στην επιφάνεια διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούν νέα χημικά στοιχεία, ενώ συγχρόνως άλλα στοιχεία δημιουργούνται με δύο διαδικασίες, γρήγορης (r-) και αργής (s-) σύλληψης ελεύθερων νετρονίων που μετατρέπουν ελαφρά χημικά στοιχεία σε βαρύτερα. Το αρκετά πρόσφατο άρθρο (του περασμένου Μαρτίου) που παραθέτω πιο κάτω περιγράφει αρκετά ρεαλιστικά τους προβληματισμούς που υπάρχουν σχετικά. 

Θα δούμε, όμως, τι θα μας αποκαλύψουν και οι αστρονομικές μας παρατηρήσεις σε συνδυασμό με τις παρατηρήσεις του LIGO. Για όσους θέλουν περισσότερες λεπτομέρειες για την δημιουργία των βαρέων χημικών στοιχείων: 

https://www.theatlantic.com/science/archive/2017/03/gold-origins-universe/520890/* Ο κ. Διονύσης Π. Σιμόπουλος είναι επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου.