Dosłownie kosmiczny wyścig o złoto

98% materii we wszechświecie powstała podczas Wielkiego Wybuchu, ale nie metale szlachetne. Jak zatem powstało złoto? Do tej pory naukowcy myśleli, że złoto powstaje w wyniku wybuchu supernowej, jednak ostatnie obserwacje naukowców z NASA zdają się temu przeczyć.

Pierwiastki złota obecne dziś na Ziemi, nie powstały dzięki procesom geologicznym, zostały przez nie jedynie skoncentrowane. Ciężkie pierwiastki takie jak złoto, srebro, platyna, ołów czy uran powstały w przestrzeni kosmicznej, w bardzo specyficznych warunkach. Rozważa się dwa możliwe scenariusze narodzin ciężkich pierwiastków:

-eksplozja supernowej (wybuch kończącej życie gwiazdy) lub
-zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, ultraciężkich obiektów, które same są wytworem eksplozji supernowej.

Obecnie naukowcy skłaniają się bardziej ku tej drugiej możliwości. Obserwacja gwałtownego, krótkiego rozbłysku promieni gamma (GRB – short gamma-ray burst) dokonana 3 czerwca 2013, przez teleskopy NASA pozwoliła wysnuć teorię o zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych – pozostałości po gwiazdach, które zakończyły swój żywot eksplodując jako supernowe. Wyjątkowa poświata pozostająca przez kilka dni w miejscu rozbłysku GRB sugeruje, że w chwili wybuchu powstały olbrzymie ilości ciężkich elementów, w tym złota. “Szacujemy, że ilość złota powstała i wyrzucona w trakcie połączenia dwóch gwiazd neutronowych może być 10 razy większa niż masa Księżyca” mówi Edo Berger z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Dlaczego do powstania złota konieczne jest tak rzadkie wydarzenie jak wybuch supernowej?

Zacznijmy od początku, …dosłownie od początku. Naukowcy przyjmują, że jakieś 13,7 miliarda lat temu z punktu o nieskończonej gęstości zwanego początkową osobliwością (initial singularity) nastąpił Wielki Wybuch. Podczas Wielkiego Wybuchu powstało 98% materii tworzącej dziś wszechświat (100 – 200 miliardów galaktyk). Powstały cząsteczki które uformowały pierwiastki, głównie lekkich gazów: helu, wodoru i litu. Co ciekawe nie powstały wtedy pierwiastki ciężkie, ani żadne z kluczowych dla powstania życia na Ziemi: węgiel, tlen czy azot.

Jak więc powstały cięższe pierwiastki?

Gwiazdy (zwłaszcza pierwsze gwiazdy) są głownie złożone z najprostszego i najlżejszego elementu – wodoru. Na skutek wielkiego ciężaru i ciśnienia wywołanego olbrzymią ilością wodoru w ich wnętrzach zachodzi reakcja jądrowa,  która z czasem doprowadza do powstania pierwiastków helu, węgla i tlenu, a później żelaza i niklu. Olbrzymia energia gwiazd nie jest jednak niewyczerpana i z czasem ciśnienie wewnątrz gwiazdy słabnie i gwiazda zapada się. Większość gwiazd gaśnie powoli, jak ognisko dogasające po wypaleniu się całego drewna, są jednak wyjątkowe przypadki olbrzymich gwiazd, których zapadnięcie się wywołuje olbrzymią eksplozję zwaną wybuchem supernowej. Takie spektakularne zakończenie życia gwiazdy wielokrotnie większej od naszego Słońca wyrzuca w kosmos chmurę pyłów i gazów, a w miejscu wybuchu pozostają niewielkie, ale niewyobrażalnie gęste skupiska materii zwane gwiazdami neutronowymi.

Jeśli zdarzy się tak, że zakończy swój żywot gwiazda podwójna (zespół dwóch gwiazd krążących wokół jednego środka masy i oddziałujących na siebie grawitacyjnie), a na jej miejscu, w wyniku wybuchu supernowej powstaną dwie gwiazdy neutronowe – jest duża szansa, że stopniowo przyciągając się wzajemnie, zderzą się doprowadzając do wyzwolenia olbrzymiej energii. 

Za sprawą tej energii, wyzwolonej podczas zderzenia pierwiastki z grupy żelaza obecne w gwieździe błyskawicznie wchłoną neutrony zwiększając gwałtownie swoją masę atomową. Narodzą się pierwiastki o wysokich masach atomowych (Au – 196,97; Pt – 195,08; Pb – 207,2; U – 238,03). W wyniku eksplozji, nowo powstałe pierwiastki zostaną wyrzucone w przestrzeń kosmiczną razem z chmurą pyłów i gazów. Obecne tak cząsteczki złota poszybują w przestrzeni aż natrafią na jakiś obiekt. 

Tak złoto trafiło na Ziemię

W trakcie formowania się planety, kiedy Ziemia była jeszcze wciąż rosnącą kulą materii musiały docierać do niej cząsteczki wyrzucane w przestrzeń przez spektakularne wybuchy supernowych oraz niezwykle rzadko przez zderzenia gwiazd neutronowych. Taka chmura pyłów i gazów napotkawszy na swojej drodze nowo formujące się planety była w nie wchłaniana. Ciężkie pierwiastki z racji swojej gęstości i działania siły grawitacji zapadały się w stronę środka planet, a lekkie gromadziły na obrzeżach. Po uformowaniu się Ziemi w jej skorupie nie ma już praktycznie śladu ciężkich pierwiastków, a jedynie najbardziej popularny związek skałotwórczy, czyli krzemionka (SiO2).

Do powstania, tak pożądanych przez człowieka złóż metali w pobliżu powierzchni, potrzebne są gwałtowne wydarzenia geologiczne wynoszące z powrotem ciężkie pierwiastki w pobliże powierzchni Ziemi. Na tak rzadkie i złożone procesy geologiczne człowiek będzie musiał liczyć aż do momentu, kiedy nauczy się pozyskiwać surowce z głębszych partii planety, albo przechwytywać bardzo cenne obiekty z przestrzeni kosmicznej. Takim kosmicznym ewenementem jest na przykład asteroida Psyche, będąca fragmentem starego jądra pękniętej planety, które składa się prawie wyłącznie z żelaza, niklu, złota, platyny. W roku 2023 ma dotrzeć do niej pierwsza sonda badawcza – wyścig o jej surowce już się rozpoczął.