Fierul si Uraniul

Fierul si Uraniul

Intrebarea 11: Cum au fost facute elementele dintre fier si uraniu?

Fiecare din cele 11 intrebari formulate de autorii Raportului are specificul sau.Un 838h71i ele sunt "normale", mai ales dupa ce le vedem formulate pe hartie si insotite de justificarile de rigoare. Altele sunt surprinzatoare prin amploarea discutiilor pe care le genereaza si a orizonturilor pe care le deschid. Cea de fata, ultima, poate sa para neasteptata.De ce, in fond, ar fi deosebita "fabricarea" in uzinele Cosmosului a unor elemente cum ar fi Fierul si cele de dupa el, de cea a elementelor mai usoare? Faptul ca am mentionat in acest context Alchimia nu incearca in vreun fel sa dea un aer ocult nici intrebarii, nici fenomenului in sine. Poate doar sa ilustreze intr-un fel mai putin conformist ideea ca in aceasta problema si mai ales in acea perioada a existentei Universului, orice "problema" era mai mult decat simpla fizica sau simpla chimie. Ceea ce, in fond, este si cheia intelegerii a ceea ce a fost perioada din evolutia stiintei experimentale care a purtat numele de Alchimie

11.1. Surprizele inceputului

Ce s-a intamplat deci la inceputul efectiv al Universului? Cum am vazut, primul atom care s-a format, atunci cand temperatura scazuse suficient pentru a permite acest lucru, a fost hidrogenul. Urmat de heliu si de litiu. Urmat apoi de cascada elementelor usoare.

Originea acestora se poate urmari inapoi pana la Big Bang-ul insusi. Dar si oamenii si stelele mai sunt alcatuite si din altceva decat aceste elemente usoare - organismele noastre (umane si planetare) contin de fapt macar "urme" din toate elementele prezente in Tabelul Periodic!

Elementele ceva mai grele isi au originea (vom reveni imediat la acest aspect) in supernove. Afirmatia se verifica insa prin inregistrarile observationale pana la fier. Pentru atomii mai grei, deci de la numarul de ordine 26 din Tabelul lui Mendeleev, nu conditiile necesare formarii lor sunt in discutie, ci, asa cum se subliniaza in Raport, mijloacele care au servit la fabricarea lor! Sursele cele mai plauzibile ale elementelor celor mai grele raman supernovele si stelele neutronice, chiar daca analiza fenomenului implica un adevarat tur de forta teoretic si computational, care sa combine rezultate ale modelelor tridimensionale ale exploziei supernovelor, oscilatiile neutrinice ("schimbarea" neutrinilor dintr-un tip in altul), studii asupra nucleelor atomice departe de linia de stabilitate, rezultate ale observatiilor in domeniul radiatiei X si gamma ale elementelor proaspat formate in supernove etc.

Asa se poate explica de pilda originea unor elemente ca oxigenul sau carbonul (numerele 8 si 12), dar nu de pilda pentru elemente cum ar fi aurul si platina (numerele 79 si 78), cel putin nu in cantitatile in care acestea se afla in prezent pe Pamant. Un posibil raspuns a fost oferit in cadrul reuniunii nationale de astronomie a Marii Britanii din 5 aprilie 2001. La care ne vom opri mai pe larg imediat, dupa ce insa vom cauta sa aruncam rapid o privire asupra a ceea ce se intampla cand o stea isi sfarseste "exploziv" viata, sub forma unei supernove.

11.2. Furnalele cosmice

In acest caz, cum spune si titlul acestui paragraf, avem de-a face cu un adevarat furnal cosmic. Heliul produs imediat dupa hidrogen serveste drept punct de plecare al sintezei elementelor de pana la fier, folosind ca veriga intermediara carbonul (un lucru prezis inca din stadiile timpurii ale dezvoltarii astrofizicii nucleare). Primii pasi ai acestei sinteze se consuma in stelele din clasa uriaselor rosii, stadiul de evolutie stelara imediat premergator exploziei sub forma de supernova (in ale carei deseuri de explozie se gasesc exact izotopii radioactivi pe care i-am astepta de la elementele mentionate). Grupa fierului, care mai cuprinde nichelul si cobaltul, se caracterizeaza prin energii cele mai mari de legatura ale nucleelor. Mai mari decat poate o stea sa produca prin combinarea progresiva a elementelor, care se opreste la elementele din grupa fierului. Dincolo de acest punct de impas, steaua respectiva nu mai are alta solutie decat colapsul nucleului sau si explozia zonei exterioare sub forma de supernova. Cum sunt insa produse elementele de dincolo de grupa fierului?

Intr-o imagine foarte plastica, autorii Raportului spun: "Ca niste detectivi la locul crimei, putem reconstitui majoritatea a ceea ce s-a intamplat pentru a se ajunge la fabricarea elementelor grele, dar "arma crimei", uzina astrofizica, nu a fost gasita."

Si ceea ce urmeaza in Raport are o importanta deosebita atat pentru claritatea si eleganta expunerii, dar poate mai ales pentru .scara de timp pe care o scoate in evidenta. Raportul a fost deci facut public la 8 ianuarie 2001. Iata cum descriu lucrurile autorii sai la acea data: "elementele mai grele (cu mase intermediare ca valoare) sunt facute in medii bogate in neutroni in care au loc capturi neutronice lente; nucleele bogate in neutroni se dezintegreaza apoi pana la elemente mai stabile. Nuclee inca si mai grele sunt produse in procese de captura rapida, denumite <procese-r> .exista o ipoteza puternica de fapt ca, inca o data, supernovele trebuie sa fie locul unde elementele grele, pana la uraniu, sunt produse, dar nu exista o intelegere detaliata a modului in care aceste procese au loc . modelele noastre teoretice de supernove sunt insa incomplete. A produce (in calculator) o "explozie" credibila de supernova s-a dovedit a fi o problema enorma.In fine,vom avea posibilitatea in deceniile ce urmeaza sa observam direct sinteza elementelor grele acolo unde credem cu adevarat ca are loc, adica in exploziile stelare. Acestea creeaza initial nuclee intr-o stare excitata si acestea se dezintegreaza in timp, de obicei intovarasite de emisie de radiatie gamma.

Exploziile gamma ale unor surse aflate la distante cosmice, care dureaza intre 100 de milisecunde si 100 de secunde, sunt sursele cele mai intense de radiatie din Univers. Cauza acestor explozii este insa necunoscuta.

In fine, desi conditiile in care se nasc si functioneaza asemenea surse de mare energie nu pot fi reproduse pe Terra, exista posibilitatea de a realiza plasme laser la parametri de presiune si temperatura care sa permita extrapolari la conditiile reale din Cosmos.

Surpriza nu avea insa sa intarzie foarte mult.

11.3. O alchimie moderna

In ziua de joi, 5 aprilie 2001, cum spuneam, la reuniunea nationala de astronomie care se tinea la celebra universitate Cambridge, cercetatori de la universitatile Leicester, Anglia si Basel, Elvetia, gaseau originea majoritatii elementelor de pe Pamant, din zona platinei si aurului si chiar mai grele, in explozii masive ale unor stele neutronice care se ciocneau la un moment de timp care premergea cu cateva sute de milioane de ani nasterea Sistemului Solar. Nuclee superdense ale unor stele care au supravietuit stadiului de supernova, stelele neutronice contin cam tot atata materie cata exista in Soarele nostru, dar intr-un volum cam de dimensiunea Bucurestiului. Uneori, ramasite ale unui sistem de stele binare, pot exista perechi de stele neutronice, rotindu-se una in jurul celeilalte (in Galaxia noastra se cunosc patru asemenea perechi).

Echipa Leicester-Basel, condusa de Stephen Rosswog , a calculat ce se poate intampla daca doua asemenea stele ajung suficient de aproape pentru a se ciocni. Estimarile au fost facute folosind un supercomputer al UKAFF - Unitatea britanica de fluide astrofizice, unul din primele supercomputere din familia Origin 3800, construit de Silicon Graphics si care este unul foarte special datorita faptului ca poseda 128 de procesoare care pot lucra in paralel asupra unei aceleiasi si unice probleme, 64 GB de RAM si 1300 GB spatiu de disc - cel mai puternic calculator construit vreodata pentru aplicatii astronomice (inaugurat la 31 octombrie 2000).

Valoarea totala a investitiei de la UKAFF este de 5,9 miliarde de lire sterline, bani furnizati de Guvern, de Silicon Graphics cu sprijinul si al Consiliului pentru cercetari astronomice si in domeniul particulelor elementare si al Leverhulme Trust.

Raspunsul echipei de cercetatori a fost ca ciocnirea acestor stele neutronice elibereaza o uriasa cantitate de energie, suficienta pentru a alimenta exploziile gamma si, in acelasi timp, "arunca" in spatiul cosmic mari cantitati de aur si platina.

Apoi - cred ca nu se va supara nimeni pentru ce spun- totul urmeaza ca intr-un film stiintifico-fantastic. Stephen Rosswog construieste pe calculator modelul a doua stele neutronice, include cam tot ce se putea include din fizica cea mai "exotica", adica si mecanica cuantica, si teoria relativitatii, si instructiunea ca stelele sa "spiraleze" impreuna Un singur pas de calcul consuma o saptamana. Dar se obtin pe rand imaginile ultimelor cateva de milisecunde ale vietii celor doua stele. Forte imense le sfarama in bucati pe masura ce miscarea in spirala le aduce din ce in ce mai aproape. Cantitati uriase de energie sunt lansate in spatiu. Cele doua stele neutronice sunt pornite pe drumul fara intoarcere spre neantul numit gaura neagra - pana atunci insa ele mai stralucesc odata, mai puternic decat toata stralucirea Universului stransa la un loc. Si, inainte de a se prabusi in nefiinta, conform calculelor Dr. Rosswog si a simularilor ce se pot vedea pe calculator, mai fac un ultim lucru: expulzeaza in spatiu o parte din materia care le-a compus. Totul extrem de fierbite - in jurul a un miliard de grade Celsius. La aceasta temperatura au loc reactii nucleare. Neutronii azvarliti cu atata putere sunt captati de "samburi" atomici facuti din elemente din zona fierului. Acestea incep sa creasca si in final se transforma in elemente grele - aur si platina. Totul este acum o cenuse de aur si platina care se amesteca cu gazul si cu praful interstelar. Apoi lucrurile incep sa se raceasca progresiv. Are loc colapsul materiei sub propria greutate. Se nasc generatiile urmatoare de stele.

Calculele oamenilor de stiinta britanici si elvetieni fac si ultima verificare: abundenta relativa a acestor elemente coincide cu observatiile contemporane. Stephen Rosswog este emotionat: "cand te gandesti ca aurul din verighetele noastre s-a format in doua stele care odinioara s-au ciocnit." Oamenii de stiinta sunt multumiti: inca o etapa a fost depasita, inca o data s-a demonstrat ca omul poate imagina solutii la probleme oricat de complexe si complicate. Intrebarea a 11-a pare sa aiba un raspuns inca inainte ca primul an de la data cand a fost formulata sa se fi scurs. Eu insa nu ma pot opri sa nu ma gandesc la acea cenusa de aur-platina care la un moment dat a stralucit in Cosmos si sa nu imi spun ca visul alchimistilor era implinit inca inainte de a fi fost visat.