Pierwsza obserwacja wnętrza gwiazdy otwiera bezprecedensowe okno na narodziny materii.

„Azot w naszym DNA, wapń w zębach, żelazo we krwi i węgiel w szarlotkach – wszystko to powstało wewnątrz zapadających się gwiazd. Jesteśmy zbudowani z materii gwiazd” – ogłosił amerykański astrofizyk Carl Sagan w swojej słynnej książce „Kosmos” prawie pół wieku temu. Zespół naukowców po raz pierwszy mógł zajrzeć do wnętrza tych gwiezdnych wnętrzności, chaotycznej kuźni, w której powstają pierwiastki chemiczne budujące ludzi i wszystko wokół nich. „Byłem olśniewający” – wspomina niemiecki astrofizyk Steve Schulze , który kierował badaniami.

Aby zrozumieć znaczenie tego odkrycia, musimy cofnąć się do Wielkiego Wybuchu, który dał początek Wszechświatowi 13,8 miliarda lat temu. W ciągu pierwszych trzech minut po Wielkim Wybuchu uformowały się prawie wszystkie lekkie atomy Wszechświata, zwłaszcza wszechobecny wodór, którego skupiska tworzą gwiazdy. We wnętrzu gwiazd temperatura i ciśnienie są tak wysokie, że wodór ulega fuzji i tworzy coraz cięższe pierwiastki, począwszy od helu. Na przykład połączenie krzemu i siarki tworzy żelazo, najcięższy atom, jaki może powstać w gwieździe.

Rezultatem jest swego rodzaju „ kosmiczna cebula ”, termin powszechnie używany przez astronomów. „Ten proces przekształca gwiazdę w strukturę warstwową: wodór na zewnątrz, następnie hel, następnie warstwy węgla/tlenu, magnezu/neonu/tlenu, tlenu/krzemu/siarki i wreszcie żelazo w centrum. W rezultacie warstwa bogata w krzem i siarkę jest ukryta pod wieloma innymi materiałami i w normalnych warunkach jest niedostępna, co praktycznie uniemożliwia jej bezpośrednią obserwację” – zauważa Schulze z Northwestern University w Evanston w Teksasie.

Teleskop umieszczony na szczycie hawajskiego wulkanu zarejestrował widmo światła emitowanego przez supernową, eksplozję gwiazdy, we wrześniu 2021 roku. Eksplozja, która miała miejsce 2,2 miliarda lat świetlnych stąd i została nazwana SN 2021yfj, nie była po prostu kolejną supernową. Urządzenie uchwyciło zjawisko w niezwykłym momencie, gdy gwiazda zdzierała swoje zewnętrzne warstwy, umożliwiając zajrzenie do swojego wnętrza. „Na początku nie wiedzieliśmy, że odkryliśmy gwiazdę obnażoną do kości. Byłem zdumiony, gdy profesor Avishay Gal-Yam z Instytutu Nauki Weizmana [w Izraelu] stwierdził, że zaobserwowaliśmy krzem, siarkę i argon” – wspomina Schulze. Jego odkrycie zostało opublikowane w tę środę na okładce czasopisma Nature , wiodącego międzynarodowego czasopisma naukowego.

Schulze, urodzony 45 lat temu w Halle w Niemczech, podkreśla, że w galaktyce Drogi Mlecznej, w której znajduje się Ziemia, oraz w sąsiednich Obłokach Magellana znanych jest „ponad miliard gwiazd”. Większość z tych gwiazd zachowuje swoją warstwę wodorową po śmierci, ale mniejszość traci tę warstwę, a nawet głębszą warstwę helu, zanim eksploduje jako supernowa. To zdzieranie powierzchni może wystąpić w wyniku silnych wiatrów gwiazdowych, erupcji lub interakcji z inną gwiazdą, ale nigdy nie zaobserwowano praktycznie całkowitego zdzierania gwiazd.

„Żadna gwiazda w Drodze Mlecznej ani w Obłokach Magellana nie została rozebrana do warstwy tlenowo-krzemowej. Odkrycie supernowej SN 2021yfj wskazuje na istnienie rzadkich i ekstremalnych procesów rozebrania” – argumentuje Schulze, który do dekady temu pracował w Instytucie Astrofizyki Papieskiego Uniwersytetu Katolickiego w Chile. Fuzja pierwiastków chemicznych cięższych od węgla zachodzi tylko w gwiazdach o masie co najmniej ośmiokrotnie większej od masy Słońca, zwanych gwiazdami masywnymi . „Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy wewnętrzne warstwy masywnej gwiazdy, co jest ważne dla testowania i ulepszania naszych modeli ewolucji gwiazd. Co więcej, to odkrycie dostarcza nam informacji na temat powstawania krzemu i siarki w masywnych gwiazdach” – dodaje Schulze.

Wyjaśnienie niemieckiego astrofizyka nawiązuje do innej, podobnej myśli Carla Sagana, tym razem z jego serialu telewizyjnego „Kosmos” : „Krzem w skałach, tlen w powietrzu, węgiel w naszym DNA, złoto w naszych bankach, uran w naszych arsenałach… Wszystko to powstało tysiące lat świetlnych stąd, miliardy lat temu. Nasza planeta, nasze społeczeństwo i my sami jesteśmy zbudowani z kosmicznego pyłu”.

Zespół fizyka José Ángela Martína Gago zbudował maszynę wartą cztery miliony euro w swoim laboratorium w Instytucie Nauki o Materiałach w Madrycie (CSIC). Martín Gago i jego kolega Gonzalo Santoro z Instytutu Struktury Materii świętują nowe odkrycie we wspólnej ocenie przesłanej do tej gazety. „Ta obserwacja potwierdza warstwową strukturę supernowych, co jest modelem stosowanym do ich opisu, choć do tej pory nie było jasne, czy jest on prawidłowy. Potwierdzenie tego modelu jest bardzo ważne dla opisu ewolucji gwiazd” – chwalą.

Supernowe i czerwone olbrzymy są kluczowymi obiektami w procesie powstawania pyłu kosmicznego, podkreślają dwaj hiszpańscy naukowcy. „To badanie dostarcza fundamentalnych informacji dla zrozumienia, jak powstają i ewoluują związki chemiczne we Wszechświecie. Na poziomie astrochemii laboratoryjnej praca ta otwiera nowe możliwości, ponieważ dostarcza empirycznych wartości dotyczących obfitości krzemu i siarki, które mogą zostać wykorzystane do odtworzenia w laboratorium warunków powstawania i ewolucji cząsteczek bogatych w te pierwiastki” – wyjaśniają. „To podejście pozwoli na postęp w modelowaniu reakcji chemicznych i głębsze zrozumienie procesów powstawania pyłu kosmicznego w kosmosie” – dodają. Odkrycie nagiej gwiazdy oferuje bezprecedensowe spojrzenie na powstawanie substancji gwiezdnej, z której zbudowani są ludzie i wszystko inne.