Iz take smo snovi kot zvezde

Zgodba o kemičnih elementih se začenja v času, ko se je rodilo naše vesolje. Znano Shakespearjevo misel »Iz take smo snovi kot sanje« bi lahko za današnjo oddajo preoblikovali v »Iz take smo snovi kot zvezde«. To mislimo dobesedno, saj so razen vodika vsi atomi v našem telesu nastali v sredicah nekdanjih zvezd. Danes vemo, da vesolje poleg običajne snovi napolnjujeta tudi temna snov in temna energija, katerih izvora še ne poznamo. Zato je pametno najprej ugotoviti, koliko je katerih običajnih atomov v vesolju. Začnemo lahko kar z našim Soncem in skušamo določiti njegovo kemično sestavo. Naloga ni preprosta, saj ne moremo zajeti kosa snovi iz te zvezde  in preveriti, iz česa je. O kemični sestavi Sonca in drugih zvezd in o razmerah na njih lahko sklepamo le po svetlobi, ki prihaja od tam.

Naš današnji gost, profesor Màrtin Asplund, je vodilni svetovni strokovnjak za preučevanje kemične sestave vesolja, kot ga asplund_bajaaguavidimo v zvezdah naše Galaksije.

Profesor Martin Asplund se je rodil na Švedskem in leta 1997 pri 27 letih doktoriral iz astrofizike na Univerzi v Uppsali. Po doktoratu je deloval na Nordijskem inštitutu za teoretično fiziko v Köbenhavnu in na Univerzi v Uppsali. Leta 2002 se je pridružil Avstralski nacionalni univerzi v Canberri in postal profesor. Nato je bil leta 2007, vsega 10 let po doktoratu, imenovan za enega najmlajših direktorjev v zgodovini inštitutov Maxa Plancka v Nemčiji.

Vodil je inštitut za astrofiziko v Münchnu, leta 2011 pa se je vrnil v Avstralijo na profesorski položaj na univerzi v Canberri in pridobil prestižni projekt nagrajencev Avstralskega raziskovalnega sveta.

Profesor Asplund raziskuje Sonce in zvezde v naši Galaksiji in je prvi natančno določil kemično sestavo Sonca. Že 90 let vemo, da je Sonce tako kot večina drugih zvezd v glavnem sestavljeno iz vodika in helija. Kljub temu pa je prav delo profesorja Martina Asplunda pokazalo, da je na primer kisika kot tretjega najpogostejšega kemičnega elementa v vesolju za tretjino manj, kot so menili pred tem.

Razlika je posledica bolj stvarne slike dogajanj v atmosferi zvezde, ki jo je uporabil za izračune. Tradicionalno so astronomi računali s poenostavljenim modelom, ki predvideva, da se razmere v vodoravni smeri ne spreminjajo in da je svetloba v ravnovesju s snovjo. Martin Asplund je uvedel bolj stvaren prikaz, ki upošteva tudi navpično mešanje plina vzdolž posamezne vodoravne plasti in dejstvo, da so razredčene površinske plasti zvezde precej prozorne za svetlobo. Martin Asplund tako podaja razširjenost 78 kemičnih elementov periodnega sistema, torej zdaj vemo celo, koliko je v Soncu tako eksotičnih snovi, kot so hafnij, osmij ali torij.

 Profesor Asplund poleg Sonca skuša določiti tudi kemično sestavo drugih zvezd. Naši astrofiziki sodelujejo s profesorjem Asplundom v okviru raziskav zgodovine naše Galaksije. Za to področje se je uveljavilo ime galaktična arheologija, od tod tudi ime projekta GALAH, ki pa je obenem ime živobarvne avstralske papige. Tako povezovanje resnosti in hudomušnosti je v znanosti pravilo in iskrivi profesor Asplund pri tem ni nobena izjema.

INTERVJU

Sonce je naša domača zvezda, ki jo najbolje poznamo. Vendar ste v minulem desetletju pokazali, da je njegova kemična sestava drugačna, kot smo si predstavljali do zdaj. Kako velike so te razlike in zakaj je do njih prišlo?

To je bilo precejšnje presenečenje, kajti Sonce astronomi vedno uporabljamo kot merilo za vse drugo v astronomiji. Menili smo, da razmere znotraj Sonca zelo dobro razumemo, saj je tako blizu in ga lahko podrobno preučujemo. Sonce nam torej služi kot merilo: namesto da bi govorili, koliko je ogljika ali kisika v različnih zvezdah, raje povemo, koliko je teh elementov v primerjavi z elementi v Soncu. Za to pa moramo seveda poznati kemično sestavo te naše zvezde. Pred nekaj leti sem s svojo raziskovalno skupino odkril, da je njena kemična sestava drugačna od naših dotedanjih predstav – elementov, kot sta ogljik ali kisik, je bilo skoraj pol manj od pričakovanih. To je imelo precejšnje posledice za celotno astronomijo. Ker je kemična sestava Sonca drugačna, se spremeni tudi kemična sestava vsega drugega, kar merite relativno glede na to zvezdo. Tako je drugačna tudi kemična sestava drugih zvezd in galaksij. Če želite sklepati, koliko je ogljika, železa in drugih elementov v zvezdah in v Soncu, morate imeti predstavo, kako nastane svetloba, ki jo vidimo. Za to imamo računalniške modele. V moji skupini smo razvili bolj realistične računalniške simulacije, kako nastane svetloba v zvezdah. Z zmogljivejšimi računalniki smo tako ugotovili, da so razmere drugačne, kot so si predstavljali na podlagi tradicionalne poenostavljene slike razmer. To je bil tudi glavni razlog, zakaj smo dobili te pravzaprav precej presenetljive rezultate o kemični sestavi Sonca.

Vaši rezultati omogočajo razumevanje kemične sestave celotnega vesolja. Imate morda kakšen neodvisen dokaz, ki bi potrdil te rezultate?

Alternative obstajajo. Rezultate lahko primerjate s tistimi za druge vrste zvezd, ki so v Sončevi okolici. Veliko let nismo razumeli, zakaj naj bi imelo Sonce kemično sestavo, ki se je precej razlikovala od sestave zvezd v njegovi okolici, posebej mlajših zvezd. Sonce je staro približno 4,5 milijarde let, za mlajše zvezde v njegovi okolici pa se je zdelo, da imajo manj elementov, težjih od helija. Pričakovali bi prav nasprotno: Sonce je namreč starejše, torej bi zvezde, ki so mlajše in so nastale pozneje, morale vsebovati več težjih elementov, nastalih v dotedanjih generacijah zvezd. Ker smo z bolj realistično sliko razmer v Soncu odkrili, da je njegova kemična sestava drugačna, se zdaj vse ujema: Sonce in mlajše zvezde v njegovi okolici imajo precej podobno kemično sestavo. To je eden od neodvisnih dokazov, ki podpirajo novo kemično sestavo Sonca, kakršno smo dobili.

Drugi dokaz je precej zanimiv in precej drugačen. Ta našim rezultatom pravzaprav nasprotuje in med znanstveniki poteka razprava, kaj se dogaja. Kemično sestavo Sonca lahko določite tudi s tehniko, ki jo imenujemo helio-seizmologija. Sonce namreč niha in lahko merite različne vibracije v njem, iz tega pa sklepate o strukturi notranjosti in tudi o njegovi kemični sestavi. Rezultati helio-seizmologije so za kemično sestavo Sončevega površja precej drugačni od tistih, ki smo jih dobili mi s preučevanjem same Sončeve svetlobe. Ta razlika obstaja že od 5 do 10 let in razprava o tem, ali imamo prav tisti, ki preučujemo svetlobo, ali tisti, ki stavijo na seizmologijo Sonca, je včasih precej razgreta. Prav v teh tednih se zdi, da so pravi naši rezultati. Razliko lahko pojasnimo z netočnostmi v rezultatih atomske fizike, ki mora razložiti, kako prozorna je snov v Sončevi notranjosti. Novi fizikalni računi kažejo, da bodo morali helio-seizmologi prilagoditi svoje rezultate, mi pa smo imeli prav.

Kaj je torej novega v teh nekaj tednih?

Fiziki, ki računajo procese v atomih, so ugotovili, da rezultati za prozornost snovi v notranjosti Sonca za svetlobo niso tako točni, kot so domnevali. Do tega uvida smo prišli v minulih mesecih in tednih in bo kmalu objavljen v prestižni reviji Nature. Vse to je precej presenetljivo. Na nekaj takega smo sam in člani moje skupine upali že dolgo, saj je to lahko odlična rešitev za izničenje razlik v kemični sestavi Sonca, ki jih dajo različne metode. Zdi se, da je bil naš odgovor vseskozi pravi.

Živimo na enem od osmih planetov, ki krožijo okoli našega Sonca. Obstaja kakšna povezava med kemično sestavo zvezde in kemično sestavo njenih planetov?

Seveda, a planeti so različnih vrst. Nekateri so podobni Zemlji, to so Merkur, Venera, Zemlja in Mars. Potem obstajajo plinski velikani, to so Jupiter, Saturn, Uran in Neptun. Kemična sestava teh dveh vrst planetov je precej različna. Plinski orjaki imajo sestavo precej podobno Sončevi. Na Zemlji podobnih planetih pa manjkajo elementi, ki jih najdemo v plinih. To so ogljik, kisik, helij, vodik in tako dalje, ki preprosto ne morejo obstati na skalnatih planetih, podobnih Zemlji. V preteklosti so nekaj teh elementov planeti, podobni Zemlji, izgubili, zato je kemična sestava teh planetov nekoliko drugačna.

Vendar lahko razmišljamo tudi drugače in se vprašamo, kakšni planeti bi lahko bili okrog drugih zvezd. Med nastankom planetov namreč vanje uklenete nekaj kemičnih elementov in ta snov ne postane del same zvezde. V moji skupini smo začeli podrobno primerjati kemične sestave Sonca in drugih zvezd. Vidimo, da je Sonce po kemični sestavi znatno drugačno od drugih zvezd. To razlagamo kot posledico nastanka Zemlji podobnih planetov ob našem Soncu. Če zdaj najdemo zvezdo, ki je v vsem res podobna našemu Soncu, lahko sklepamo, da je to zato, ker so tudi okoli te zvezde Zemlji podobni planeti in ne le orjaški plinasti planeti. To seveda odpira nove možnosti odkrivanja zvezd, za katere se zdi verjetno, da so okoli njih planeti podobni naši Zemlji. V prihodnosti, ko bomo imeli naprave in tehnične zmogljivosti za opazovanje teh planetov okoli drugih zvezd, bomo morda lahko potrdili, da ti planeti tam res obstajajo.

Zgodnje vesolje je bilo skoraj v celoti iz vodika in helija, to sta bila tudi gradnika prvih zvezd. Lahko upamo, da je katera od teh prvih zvezd še živa in jo lahko najdemo?

Morda. Vesolje je nastalo pred 13,8 milijarde let. Kmalu zatem so nastale prve zvezde – tedaj je imelo vesolje morda le 100 ali 200 milijonov let. To je seveda velika številka, vendar je za astronoma v primerjavi s starostjo vesolja kratek čas. Teh prvih zvezd, ki so nastale po velikem poku, ni več oziroma jih vsaj še nismo odkrili. Te zvezde so bile precej drugačne od tistih, ki jih vidimo v vesolju danes. Verjetno so bile precej večje od našega Sonca, vsebovale so morda stokrat več snovi. Če je to res, so živele le kratek čas, vsega nekaj milijonov let, in do danes niso preživele. Ni pa seveda izključeno, da obstajajo izjeme, zato je iskanje teh najstarejših zvezd predmet zavzetega raziskovanja. V naši Rimski cesti je zelo veliko zvezd in morda jih je nekaj tudi še iz te prve generacije zvezd. Odkrili smo že veliko zelo starih zvezd, ne pa še tistih, ki pripadajo prav prvi generaciji po nastanku vesolja. Seveda se zelo trudimo. Preiskujemo našo Rimsko cesto in iščemo te redke metuzaleme v naši okolici, ki se morda skrivajo med mlajšimi zvezdami.

Ste vodilni strokovnjak na svetu za raziskovanje kemične sestave zvezd. Zdaj vemo, iz česa je Sonce. Kako prepričani pa smo lahko glede drugih zvezd? Lahko upamo na preboje v bližnji prihodnosti?

Da, menim, da živimo v zlati dobi zvezdne astrofizike in galaktične arheologije, to je vede, ki uporablja zvezde za raziskovanje strukture in zgodovine naše galaksije in planetov okoli drugih zvezd. V nekaj letih je tu prišlo do izjemnega napredka. Naše računalniške simulacije so veliko bolj realistične, številnejša so tudi opazovanja, poteka vrsta novih raziskovalnih projektov. Zdaj lahko prvič raziskujemo veliko število zvezd, zlasti v naši Rimski cesti, kjer lahko v podrobnostih raziskujemo na primer po milijon zvezd. To je veliko veliko več, kot je bilo mogoče do zdaj. Sodelujemo pri projektu GALAH, v katerem zelo intenzivno sodeluje tudi Tomaž Zwitter iz Slovenije. To je avstralski projekt, v njem pa sodelujejo tudi nekateri strokovnjaki iz Evrope in Združenih držav. Mislim, da bo ta projekt v prihodnjih petih letih dal res revolucionarne rezultate, na kar že komaj čakamo.