Az arany nem a Földön született – kozmikus események története lehet az ékszeredben

Egy aranygyűrű lehet néhány éves. Egy családi ékszer akár százéves is. A benne található arany története azonban ennél felfoghatatlanul régebbre nyúlik vissza.

Az arany atommagjai már a Föld kialakulása előtt léteztek.

Ez nem költői túlzás, hanem a modern asztrofizika egyik különösen érdekes következménye.

A Föld nem tudott egyszerűen „aranyat készíteni”

Az arany egy kémiai elem, vegyjele Au, rendszáma 79. Ez azt jelenti, hogy minden aranyatom magjában 79 proton található.

Kémiai folyamatokkal egy elemet nem lehet egy másik elemmé változtatni. A Föld geológiai folyamatai képesek az aranyat feloldani, szállítani, kiválasztani és bizonyos helyeken feldúsítani – így jöhetnek létre például aranyérc-telepek –, de ettől új aranyatommagok nem keletkeznek.

Ehhez az atommagot kell átalakítani, ami már nukleáris folyamat. Az aranyhoz hasonló nagyon nehéz elemek létrejöttéhez pedig egészen extrém körülmények szükségesek.

Hol születhet az arany?

A nehéz elemek kialakulásának egyik legfontosabb mechanizmusa az úgynevezett r-folyamat, vagyis gyors neutronbefogás.

Ilyenkor az atommagok rendkívül rövid idő alatt hatalmas mennyiségű neutront fognak be. Az ezt követő radioaktív bomlási folyamatok során létrejöhetnek a periódusos rendszer legnehezebb elemei.

Köztük az arany is.

Az r-folyamathoz azonban olyan szélsőséges környezet szükséges, amelyhez hasonlót egy bolygón nem találunk.

A neutroncsillagok hatalmas tömegű csillagok összeomlása után visszamaradó, elképesztően sűrű objektumok. Ha két ilyen égitest egymás körül kering, idővel összeolvadhatnak.

2017-ben az emberiség megfigyelhette a nehéz elemek születésének nyomait

2017. augusztus 17-én a LIGO és a Virgo gravitációshullám-detektorai észleltek egy eseményt, amely a GW170817 nevet kapta.

Két neutroncsillag összeolvadt.

Az eseményt nemcsak gravitációs hullámok segítségével sikerült megfigyelni. Csillagászati távcsövek világszerte követték az összeolvadást kísérő úgynevezett kilonovát is.

Ez azért volt különösen fontos, mert a kibocsátott fény változása és spektruma lehetőséget adott a frissen keletkező nehéz elemek vizsgálatára.

E. Pian és kutatótársai 2017-ben a Nature folyóiratban publikálták a megfigyelések eredményeit. Tanulmányuk spektroszkópiai bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy a neutroncsillag-összeolvadás során nagy mennyiségű, r-folyamatból származó nehéz elem keletkezett.

Daniel Kasen és munkatársai ugyanebben az évben szintén a Nature folyóiratban publikált modelljeik alapján arra jutottak, hogy a neutroncsillagok összeolvadása jelentős mennyiségű nehéz r-folyamat-elemet képes előállítani, köztük olyan elemeket, mint az arany és a platina.

Akkor az aranyunk egy neutroncsillag-ütközésből származik?

Itt fontos pontosan fogalmazni.

Azt nem tudjuk kijelenteni, hogy a Földön található minden arany kizárólag neutroncsillagok összeolvadásából származik.

A nehéz r-folyamat-elemek kozmikus eredetének pontos megoszlása ma is aktív kutatási terület. Neutroncsillag-összeolvadások biztosan képesek ilyen elemeket létrehozni, de más ritka csillagászati események is hozzájárulhattak az Univerzum nehézelem-készletéhez.

A lényegen azonban ez nem változtat:

Az arany már a Naprendszer születése előtt létezett

A Nap és a bolygók körülbelül 4,6 milliárd évvel ezelőtt egy korábbi csillaggenerációk által feldúsított gáz- és porfelhőből alakultak ki.

Ebben az anyagban már jelen voltak azok a nehéz elemek is, amelyeket korábbi kozmikus események hoztak létre.

Erre különösen érdekes bizonyítékot adnak a meteoritok.

Imre Bartos és Szabolcs Márka 2019-ben a Nature folyóiratban megjelent tanulmányukban a korai Naprendszer rövid életű r-folyamat izotópjainak nyomait vizsgálták.

Ezek az eredeti izotópok mára már lebomlottak, bomlástermékeik azonban megőrződtek ősi meteoritanyagokban.

A kutatók eredményei szerint a korai Naprendszer r-folyamat-anyagának jelentős része összhangban lehet egy, a Naprendszer kialakulását megelőző közeli neutroncsillag-összeolvadás hatásával.

Ez nem azt jelenti, hogy „onnan származik minden aranyunk”, hanem azt mutatja, hogy a Naprendszer születésének alapanyagába már korábbi kozmikus eseményekből származó nehéz elemek kerültek.

De hogyan került az arany oda, ahol ma megtaláljuk?

A történet itt még nem ér véget.

Az arany úgynevezett erősen sziderofil elem, vagyis kedveli a fémes vasat.

Amikor a fiatal Föld még részben olvadt állapotban volt, a nehéz fémes anyagok jelentős része a bolygó belseje felé süllyedt, és részt vett a földmag kialakulásában.

Emiatt az arany jelentős részének is a mélybe kellett kerülnie.

Mégis találunk aranyat a Föld köpenyében és kérgében.

A bolygókutatás egyik fontos magyarázata erre az úgynevezett késői akkreció – angolul late accretion –, amelynek során a Föld magjának kialakulása után további kisbolygó- és meteoritanyag érkezett bolygónkra.

A Föld köpenyében található erősen sziderofil elemek – köztük az arany és a platina – mennyisége hosszú ideje fontos kutatási terület.

A pontos kép azonban ma sem teljesen lezárt. A kutatók továbbra is vizsgálják, hogy milyen arányban és milyen folyamatokon keresztül került a ma hozzáférhető földi arany a köpenybe és a kéregbe.

Egy aranygyűrű tehát sokkal idősebb történetet hordoz, mint gondolnánk

Természetesen maga a gyűrű nem milliárd éves.

Az aranyat kibányászták, megtisztították, beolvasztották, ötvözték, majd egy ötvös ékszert készített belőle.

Egy régi ékszer aranya akár többször is végigjárhatta ezt a folyamatot. Egy korábbi gyűrűből lehetett lánc, abból karkötő, abból pedig újra gyűrű.

De az aranyatomok magjai közben ugyanazok maradtak.

Az aranyatomok egy rendkívül heves kozmikus esemény során jöttek létre, majd bekerültek abba a csillagközi anyagba, amelyből később megszületett a Naprendszer.

Részei lettek a fiatal Földnek. A geológiai folyamatok koncentrálták őket, az ember pedig végül megtalálta, kibányászta és ékszert készített belőlük.

Felhasznált tudományos források

Pian, E. et al. (2017): Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron-star merger. Nature 551, 67–70. DOI: 10.1038/nature24298

Kasen, D. et al. (2017): Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event. Nature 551, 80–84. DOI: 10.1038/nature24453

Bartos, I. & Márka, S. (2019): A nearby neutron-star merger explains the actinide abundances in the early Solar System. Nature 569, 85–88. DOI: 10.1038/s41586-019-1113-7

Siebert, J. et al. (2013): Terrestrial Accretion Under Oxidizing Conditions. Science 339, 1194–1197.