Blog

Materia znana i nieznana, czyli co wiemy o budulcu Wszechświata – część III

2021-06-29 Adrian Zając

W poprzednich częściach artykułu analizowaliśmy, czym jest materia i z czego jest zbudowana. Możecie się zatem zastanawiać, po co ta część… Poprzednie części, poza niewielkimi wyjątkami, opowiadały o materii, której doświadczamy na co dzień na naszej planecie. Ale nasza planeta jest tylko maleńką cząstką Wszechświata, w związku z czym możemy się domyślać, że w innych jego częściach materia może przyjmować niespotykane na Ziemi i nierzadko niewyobrażalne formy. Jest tak w istocie i o tym właśnie będzie traktować ta część opowieści.

Ziemia – maleńki okruszek?

Żeby uzmysłowić sobie, jak maleńkim okruszkiem we Wszechświecie jest nasza Ziemia, musimy zapoznać się z kilkoma faktami. Szacuje się, że obserwowalny Wszechświat ma postać kuli o promieniu około 46,5 miliarda lat świetlnych, a to znaczy, że podróż światła z krawędzi obserwowalnego Wszechświata do Ziemi trwa właśnie 46,5 miliardów lat (sama Ziemia istnieje „zaledwie” 4,5 miliarda lat, więc światło z „krańca” zaczęło swój bieg na długo przed powstaniem naszej planety). Należy tu wyraźnie zaznaczyć, że nie jest to cały Wszechświat, a jedynie jego część, którą jesteśmy w stanie obserwować. Rozmiarów całego Wszechświata nie sposób oszacować, być może nie ma on w ogóle granic. Skupmy się jednak na tej jego części, którą w jakimś stopniu poznaliśmy.

Najnowsze obserwacje sugerują, że w tym obszarze znajduje się około kilkuset miliardów galaktyk, a w każdej z nich niech będzie tyle gwiazd, ile jest w naszej Drodze Mlecznej, czyli 100 miliardów, w tym Słońce. To już daje nam liczbę około kilkudziesięciu tryliardów gwiazd, czyli kilkadziesiąt razy 10²¹. Jeśli jeszcze weźmiemy pod uwagę, że wokół wielu z tych gwiazd krążą planety, to ich liczba będzie jeszcze większa, a przypominam, że wśród nich mamy niezbyt dużą Ziemię. Przy takiej liczbie obiektów, z prostego rachunku prawdopodobieństwa można śmiało wnioskować, że ilość postaci materii jest zdecydowanie większa niż ta obserwowana na Ziemi.

Dodatkowo trzeba wziąć pod uwagę fakt, że warunki na naszej planecie są „łagodne”. W przypadku warunków bardziej ekstremalnych materia zachowuje się często w sposób zadziwiający. Przykładów nie trzeba szukać daleko, bo takie obserwujemy już w Układzie Słonecznym. Począwszy od Słońca, które jest prawie całkowicie zbudowane z materii w postaci plazmy (o czym pisałem w części I). Natomiast na innych planetach naszego układu gwiezdnego z materią dzieją się rzeczy niespotykane na Ziemi.

Krótka podróż po planetach

Planeta Wenus, na której temperatura sięga 460°C, a ciśnienie jest prawie 100 razy większe niż na Ziemi, otulona jest gęstą i szczelną warstwą chmur zbudowanych z kwasu siarkowego, którego temperatura wrzenia wynosi w ziemskich warunkach 337°C. Z kolei w atmosferze Jowisza występują kryształy amoniaku, który w warunkach ziemskich jest gazem o temperaturze krzepnięcia -78°C. Podejrzewa się też, że na tej planecie występuje wodór w postaci metalu, co spowodowane jest panującym tam skrajnie wysokim ciśnieniem. Wodór, który w warunkach ziemskich jest gazem, w postaci metalicznej próbowano otrzymać na Ziemi stosując ciśnienie 5 milionów razy większe niż nasze ciśnienie atmosferyczne, jednak rezultaty tego eksperymentu nie zostały potwierdzone. Co interesujące, teoretycznie metaliczny wodór jest superprzewodnikiem, czyli przewodzi prąd elektryczny bez jakiegokolwiek oporu i strat. Ponadto, na Jowiszu, ale też na Saturnie, występują „diamentowe gradobicia”. Na planetach tych występują silne burze, których wyładowania elektryczne rozkładają występujące w atmosferze cząsteczki metanu do sadzy i wodoru. Sadza ta podczas opadania ulega coraz większemu ściskaniu przez skrajnie wysokie ciśnienie atmosferyczne tych planet, przez co tworzą się z niej kryształy diamentów. Przy dalszym opadaniu i zbliżaniu się do gorącego jądra planety następuje ich topienie. Występowanie podobnych zjawisk postuluje się również na Uranie i Neptunie. Natomiast na jednym z naturalnych satelitów Saturna, Tytanie, zaobserwowano jeziora ciekłego metanu i etanu (na Ziemi są to gazy o temperaturach skraplania -183°C oraz -89°C). Wśród tych jezior największe jest Kraken Mare, o powierzchni zbliżonej do naszego Morza Kaspijskiego.

Wymienione powyżej zjawiska nie są jednak przykładami nowych stanów skupienia, a jedynie ciekawostkami dotyczącymi zachowania się znanych nam związków chemicznych w skrajnych warunkach, panujących na innych planetach naszego układu gwiezdnego. Poza metalicznym wodorem, jesteśmy w stanie wytworzyć je na Ziemi, jednak wymaga to pracy i specjalistycznego sprzętu. Innymi słowy, nie dzieje się to w sposób naturalny.

Ekstremalne ciała niebieskie

Jeśli jednak opuścimy Układ Słoneczny i przyjrzymy się ciałom niebieskim o jeszcze bardziej ekstremalnych warunkach, czyli innym gwiazdom, znajdziemy tam nowe stany skupienia materii. Nie skupimy się jednak na gwiazdach „żyjących”, czyli zbudowanych głównie z plazmowej postaci wodoru i helu, bo o plazmie już rozmawialiśmy. Przyjrzymy się natomiast obiektom powstałym na skutek „śmierci” gwiazdy i tworzącej je tzw. materii zdegenerowanej.

Gdy gwieździe wyczerpuje się paliwo wodorowo-helowe, zaczyna ona syntezować coraz cięższe pierwiastki. Dzieje się to poprzez fuzję jądrową. Jednak im cięższe pierwiastki są tworzone, tym mniej energii jest wytwarzane, co z kolei powoduje, że jądro gwiazdy, złożone z ciężkich pierwiastków, zaczyna się zapadać pod wpływem własnej grawitacji, co odbywa się z ogromną prędkością (rzędu 70 000 km/s, czyli prawie 25% prędkości światła!) i nie jest już zdolne do utrzymania zewnętrznych warstw gwiazdy, które ulegają nagłemu odrzuceniu. Mówimy wtedy o wybuchu supernowej. Wyrzucona w przestrzeń materia tworzy stosunkowo nietrwałą mgławicę międzygwiezdną, natomiast w pozostałym jądrze dzieje się bardziej interesujące nas zjawisko, czyli właśnie degeneracja materii.

Degeneracja materii

Definicja degeneracji materii, którą serwuje nam fizyka kwantowa, jest zbyt skomplikowana i wymaga wiedzy specjalistycznej, zatem nie nadaje się do przytoczenia w tekście popularno-naukowym. Najprościej rzecz ujmując, tworzące materię atomy ulegają transformacji, związanej z niszczeniem ich wyjściowej budowy. Prowadzi to do znacznego zaniku „pustych” przestrzeni w atomach, a w konsekwencji do znacznego wzrostu gęstości materii.

W zależności od wielkości wybuchającej gwiazdy, mamy do czynienia z różnym stopniem degeneracji. Gwiazdy o małej masie, rzędu 0,08 – 8 masy Słońca, po swojej śmierci stają się tzw. białymi karłami o wielkości zbliżonej do Ziemi, w których mamy do czynienia ze zdegenerowaną materią elektronową. Oznacza to, że jądra atomowe pierwiastków go tworzących pozostają niezmienione, natomiast rozpadowi ulegają ich powłoki elektronowe, przez co tworzy się mocno skompresowany gaz elektronowy „otulający” jądra atomowe. Zdegenerowana materia elektronowa osiąga gęstości rzędu 10⁸ g/cm³, czyli sześcienna kostka takiej materii o boku 1 cm waży około 100 ton.

Jeśli natomiast umierająca gwiazda ma masę większą niż 8 mas Słońca, to w wyniku wybuchu supernowej, z jej zapadającego się jądra tworzy się tzw. gwiazda neutronowa o niewielkiej średnicy około 25 km. Gwiazda ta jest zbudowana ze zdegenerowanej materii neutronowej i powstaje w procesie tzw. neutronizacji, zachodzącym podczas zapadania się jądra umierającej gwiazdy. Proces neutronizacji polega na „wpychaniu” elektronów z powłok elektronowych atomów w obecne w jądrze protony, co skutkuje tworzeniem neutronów. Innymi słowy, taka gwiazda jest zbudowana prawie całkowicie z neutronów, czyli formalnie stanowi jedno ogromne jądro atomowe. Materia neutronowa, ze względu na prawie całkowitą eliminację „pustych” przestrzeni występujących w atomach, osiąga gigantyczne gęstości rzędu 10¹⁵ g/cm³, czyli sześcienna kostka takiej materii o boku 1 cm waży około miliarda ton.

Ale to nie koniec możliwości degeneracji materii. Przypuszcza się, że jądro gwiazd neutronowych, gdzie panuje jeszcze większe ciśnienie, może być zbudowane ze zdegenerowanej materii kwarkowej, inaczej nazywanej dziwną (od nazwy jednego z kwarków, czyli cząstek budujących protony, neutrony i elektrony). Powstaje ona poprzez niszczenie struktury neutronów materii neutronowej i uwolnienie budujących je cząstek zwanych kwarkami. Zatem takie jądro jest zbudowane z wolnych kwarków, czyli formalnie stanowi jeden wielki neutron (a bardziej ogólnie – hadron). Gęstość takiej materii jest jeszcze kilka rzędów wielkości większa niż materii neutronowej.

Na koniec zostały nam jeszcze dwa bardzo intrygujące rodzaje materii: antymateria oraz ciemna materia. Pierwszą z nich jesteśmy nawet w stanie uzyskać w bardzo niewielkich ilościach w warunkach laboratoryjnych, natomiast drugiej jeszcze nikt nie zaobserwował, nawet obserwując Wszechświat, mimo że stanowi ona większość jego masy.

Antymateria, pozyton i antyproton

Antymateria jest to w uproszczeniu odwrotność znanej nam materii. Atomy antymaterii mają budowę analogiczną do zwykłych atomów, z tą różnicą, że elektron ma tu ładunek dodatni i nazywany jest pozytonem, natomiast proton posiada ładunek ujemny i nazwany jest antyprotonem. Przy założeniu, że Wszechświat powstał jako coś symetrycznego, materia i antymateria powinny występować w równych ilościach. Jednakże badania wykazują, że tak nie jest. Tłumaczy się to procesem tzw. bariogenezy, który nastąpił niedługo po powstaniu Wszechświata i spowodował, że obecnie większość wszystkiego, co istnieje jest zbudowane z koinomaterii, czyli materii „zwykłej”. Co ciekawe, antymateria występuje również naturalnie na Ziemi. Zaobserwowano powstawanie pozytonów, np. podczas wyładowań atmosferycznych. Niewielkie ilości antymaterii (rzędu kilku atomów) jesteśmy również w stanie wytwarzać sztucznie, w warunkach laboratoryjnych poprzez zderzanie cząsteczek rozpędzonych do ogromnych prędkości w akceleratorach. Do tej pory udało się otrzymać antywodór oraz jądra atomowe antydeuteru, antytrytu i antyhelu. Dlaczego tylko kilka atomów? Jest to spowodowane specyficzną właściwością antymaterii – w zetknięciu ze zwykłą materią ulega ona procesowi anihiliacji, czyli łączy się ze zwykłą materią i „znika”, zamieniając się w stosunkowo duże ilości energii (co wynika z równania Einsteina E = mc²). Dlatego też jej przechowywanie jest wyjątkowo trudne i możliwe jedynie dzięki zastosowaniu silnych pól magnetycznych.

Ciemna materia

Ciemna materia jest chyba najbardziej tajemniczym rodzajem materii, ponieważ jak dotąd nikt jej nie widział. W związku z tym pozostaje ona hipotezą, powstałą w celu wyjaśnienia obserwacji pewnych ruchów galaktyk. Okazało się bowiem, że ich ruch jest niezgodny z efektami grawitacyjnymi, które wywierałby Wszechświat, gdyby był zbudowany tylko ze „zwykłej” materii. W związku z tym musi istnieć materia, która za te dodatkowe efekty grawitacyjne odpowiada. Hipoteza ciemnej materii definiuje ją jako twór nieemitujący oraz nieodbijający promieniowania elektromagnetycznego, a jedynie wywierający efekty grawitacyjne. A jeśli coś nie emituje i nie odbija promieniowania elektromagnetycznego, to nie jesteśmy w stanie tego zaobserwować znanymi nam technikami badawczymi. Wyliczono jednak, że ciemna materia stanowi stosunkowo dużo, bo aż 27% całego Wszechświata. Występowanie ciemnej materii wiąże się pośrednio z obecnością w przestrzeni kosmicznej tzw. ciemnej energii. Sugeruje się, że może ona stanowić ponad 68% znanego Wszechświata, a jej najbardziej charakterystyczną cechą jest to, że wywiera ona ujemne ciśnienie na przestrzeń, co mogłoby wyjaśniać przyspieszanie rozszerzania się Wszechświata. Ale to już temat na inną opowieść…

Podsumowanie

Podsumowując, wiemy o materii i kosmosie już całkiem sporo, ale tyle samo, jeśli nie więcej, pozostało do odkrycia. Dlatego bardzo ważne jest zadbanie o warunki dla rozwoju nauki i metod badawczych, ponieważ w przyszłości umożliwią one nie tylko rozwiązanie intrygujących nas obecnie zagadek Wszechświata, ale być może… po prostu zapewnią nam istnienie.