Honnan jön a vas a véredben?

0:00 A vas a véredben

Szúrd meg az ujjad egy tűvel. A kis piros csepp azért piros, mert vas van benne. Megmutatom, hol ül ez a vas.

0:08 Egyetlen köbmilliméternyi vérben nagyjából ötmillió vörösvérsejt úszik. Mindegyik egy apró, két oldalán behorpadt korong, sejtmag nélkül. A hártyája alatt fehérjeháló feszül. Ettől olyan rugalmas, hogy a legszűkebb hajszálereken is átpréselődik. Belül szinte csak egyetlen fehérje van, a hemoglobin. Egy vörösvérsejtben nagyjából kétszázhetvenmillió darab. Egy hemoglobin-molekula négy fehérjeláncból áll, és mindegyik lánc egy vasatomot tart a kis zsebében. Ehhez a vashoz kötődik az oxigén, amit lélegzel. Ha még közelebb megyek, a vasatom szinte csak elektronfelhő és üres tér. Középen ül az atommag, több mint tízezerszer kisebb, mint az atom. Huszonhat proton és harminc neutron, és mindegyikben három kvark.

0:51 Róluk a „Miből vagy?” tudásmorzsában meséltem. Ezt az atommagot nem a Föld rakta össze. Egy csillag belsejében készült, és egy csillagrobbanás szórta szét az űrben, jóval azelőtt, hogy a Nap egyáltalán létezett volna. Egy felnőtt testében összesen nagyjából három-négy gramm vas van, körülbelül annyi, amennyi egy öt-hat centis szögben. Ez nagyjából négyszer tíz a huszonkettediken vasatom. Mindegyiknek ugyanez a története. De melyik robbanás? Kézenfekvő volna az első szupernóvákra gondolni. A valódi történet viszont furcsább: a vasad jelentős része egy egészen másfajta, évmilliárdokkal későbbi robbanásból jön. Ebben a részben megnézzük, hogyan kovácsol vasat egy csillag, honnan tudjuk ezt, és miért lehet, hogy az első szupernóvák éppen a vasat tartották meg maguknak.

1:39 Ez A Föld története, a kilencedik rész.

1:53 Miért fontos ez a Földnek?

Az előző részekben a galaxisok születéséről és haláláról volt szó. Most a galaxisokon belülre, a csillagok kohójába nézünk. A Föld szempontjából ez talán a legfontosabb rész eddig. A Nagy Bumm után csak hidrogén, hélium és egy csipetnyi lítium volt. Ebből nem lehet kőzetbolygót építeni. A Föld tömegének nagyjából egyharmada vas, a többi nagy része oxigén, szilícium és magnézium. Mindezt a csillagok gyártották. És ahogy látni fogjuk, a vas nemcsak a bolygónak fontos, hanem neked is, szó szerint.

2:23 A csillag mint kohó

2:24 Hogy a csillagok elemeket gyártanak, azt az 1950-es években rakták össze. 1957-ben négy kutató, Margaret és Geoffrey Burbidge, William Fowler és Fred Hoyle, egy több mint százoldalas cikkben vezette le, hogyan épülnek fel a csillagokban a nehezebb elemek. Ugyanabban az évben a kanadai Alastair Cameron tőlük függetlenül hasonló következtetésre jutott. Fowler később Nobel-díjat kapott. Hoyle nem, és ezen a csillagászok azóta is vitatkoznak. A lényeg egyszerű. Egy csillag a magjában atommagokat olvaszt össze, és ebből él. Először hidrogénből héliumot. Amikor a hidrogén elfogy, a mag összehúzódik, felforrósodik, és jön a következő lépcső: héliumból szén, aztán abból oxigén és neon, aztán szilícium, végül a vas családja.

3:12 Egy nagy csillag belseje a végére olyan lesz, mint egy hagyma: kívül hidrogén, befelé haladva egyre nehezebb elemek rétegei. És minden lépcső rövidebb az előzőnél. Egy nagy tömegű csillag évmilliókig égeti a hidrogént. A szilícium elégetése, az utolsó lépcső, nagyjából egyetlen napig tart. Mintha a kandallóban a fa után a hamut is elégetnéd, aztán a hamu hamuját, és egyre forróbb tűzön és egyre rövidebb ideig.

3:37 Honnan tudjuk? Egy elem, aminek nem kellene ott lennie

3:39 1952-ben az amerikai Paul Merrill egyes vörös óriáscsillagok színképében technéciumot talált. Ennek az elemnek nincsen stabil fajtája: még a leghosszabb életű változatának is csak néhány millió év a felezési ideje. A csillagok viszont sokkal öregebbek ennél. Ha mégis van bennük technécium, akkor csak egy módon kerülhetett oda: maguk a csillagok gyártják, most is. Ez volt az első közvetlen bizonyíték arra, hogy a csillagok belsejében elemek születnek.

4:07 Miért éppen a vas?

Mert a magfúzió csak a vasig fizet. Képzelj el egy völgybe vezető lépcsőt: a hidrogéntől lefelé minden lépés energiát szabadít fel, ezért ég a csillag. A vas családja van a völgy alján. Onnan már csak felfelé lehet menni, az pedig nem termel energiát, hanem fogyaszt. Egy apró, de szép helyesbítés: a legszorosabban kötött atommag valójában a nikkel egyik fajtája, nem a vas. És a vas, ami végül kiszóródik az űrbe, legnagyobbrészt nem is vasként születik. A robbanás hevében egy radioaktív nikkelfajta, a nikkel-56 keletkezik, és ebből lesz később vas. Ez még nagyon fontos lesz a későbbiekben.

4:43 Az összeomlás

A vasmag tehát nem tud tovább égni. Csak hízik, ahogy a környező rétegekből újabb anyag hullik rá. Amikor nagyjából másfél Nap tömegűre nő, nincs, ami megtartsa. A másodperc töredéke alatt összeomlik: a több ezer kilométeres vasmagból egy nagyjából húsz kilométeres, egy nagyvárosnyi neutroncsillag lesz. Ennek az anyagából egy teáskanálnyi is milliárd tonnákat nyomna. A ráhulló anyag visszapattan a hirtelen megkeményedő magról. A felszabaduló energia nagyjából 99 százalékát szellemszerű részecskék, neutrínók viszik el. A legelfogadottabb magyarázat szerint a neutrínók az energiájuk egy kis töredékét a környező anyagban hagyják, és már ez is elég, hogy szétvesse a csillagot.

5:26 A kifelé száguldó lökéshullámban, néhány másodperc alatt, újabb elemek születnek, köztük rengeteg nikkel-56. Ez a magösszeomlásos szupernóva. A csillag néhány hétre százmilliószor, akár milliárdszor fényesebb lesz a Napnál. És hónapokig ragyog tovább. Hogy miért, azt a radioaktív nikkel árulja el. A nikkel-56 felezési ideje hat nap: kobalt-56 lesz belőle. A kobalt-56 felezési ideje 77 nap: abból lesz a stabil vas-56. Minden bomlás gammasugarat bocsát ki, ami felfűti a táguló gázfelhőt. A szupernóva hónapokig tartó utófénye tehát szó szerint a születő vas fénye.

6:06 Honnan tudjuk? A szupernóva a szomszédban

6:08 1987 februárjában a Nagy Magellán-felhőben, nagyjából 160 ezer fényévre, felrobbant egy csillag. Ez volt az első szabad szemmel látható szupernóva 1604 óta, amikor Johannes Kepler figyelt meg egyet. Pár órával azelőtt, hogy a fénye ideért, japán, amerikai és szovjet földalatti detektorok, köztük a japán Kamiokande, összesen nagyjából két tucat neutrínót fogtak. Ez az összeomló mag első üzenete volt, pontosan úgy, ahogy az elmélet megjósolta. Aztán 1987 második felében a NASA Solar Maximum Mission nevű műholdja elkapta a kobalt-56 bomlásának jellegzetes gammasugarait. A csillagászok tehát szó szerint látták, ahogy a robbanásban kobaltból vas lesz. A szupernóva halványulása pedig hónapokon át a kobalt felezési idejét követte.

6:54 A becslések szerint ez az egy robbanás több mint húszezer Földnyi nikkelt gyártott, nagyjából a Nap tömegének hét századrészét. Ebből mára már biztosan vas lett.

7:05 A másik kovács: a fehér törpék

És most jön a csavar. A véredben lévő vas jelentős része nem ilyen óriáscsillagok összeomlásából jön. A Napnál legfeljebb nagyjából nyolcszor nehezebb csillagok nem robbannak fel. Az életük végén fehér törpévé zsugorodnak, egy Föld méretű, de csillagnyi tömegű, izzó szén- és oxigéngolyóvá. Ez vár a Napunkra is, erről a 99. részben lesz majd szó. Egy magányos fehér törpe csendben hűl ki. De ha egy kettőscsillag tagja, anyagot szívhat el a társától, vagy összeolvadhat egy másik fehér törpével. Ha a tömege megközelíti a nagyjából 1,4 Napnyi határt, a belsejében elszabadul a szén fúziója, és az egész csillag egyetlen termonukleáris robbanásban szétvetődik. Nem marad utána semmi.

7:49 Ez az Ia típusú szupernóva. Ezek a robbanások annyira hasonló fényességűek, hogy kozmikus mérőszalagként használhatók.

7:58 1998-ban ezek segítségével derült ki, hogy a világegyetem tágulása gyorsul. Így bukkantak a sötét energia nyomára, amiről a 6. részben volt szó. Hogy melyik út a gyakoribb, a lassú hízás vagy az összeolvadás, arról ma is vita van. Egy ilyen robbanás nagyjából fél Nap tömegnyi nikkel-56-ot gyárt, vagyis sokszor több vasat, mint egy átlagos óriáscsillag-szupernóva. Van azonban egy bökkenő: időbe telik. Előbb meg kell születnie és meg kell halnia egy csillagnak, aztán a fehér törpének hízni kell. Ez néhány tízmillió évtől sok milliárd évig tarthat. A fehér törpék vasa tehát később érkezett.

8:35 Honnan tudjuk? A kobalt fénye

8:36 2014 januárjában a nagyjából 11-12 millió fényévre lévő Szivar-galaxisban felrobbant egy Ia típusú szupernóva, évtizedek óta a legközelebbi. Az ESA INTEGRAL műholdja kimutatta benne a kobalt-56 gammavonalait. Jevgenyij Csurazov és kollégái ebből nagyjából 0,6 Napnyi nikkel-56-ot számoltak. Ez közvetlen bizonyíték: a fehér törpék robbanása vasgyár.

9:01 A csillagok kémiai naplója

A második bizonyíték a csillagokban van. Az óriáscsillagok korán robbannak, és a szupernóváik sok oxigént és magnéziumot szórnak szét a vashoz képest. A fehér törpék főleg vasat adnak, de később. A Tejútrendszer legöregebb csillagai valóban sok oxigént és magnéziumot tartalmaznak a vashoz képest, a fiatalabbak, köztük a Nap is, viszonylag több vasat. Mintha egy kémiai naplót olvasnánk, amiben látszik, hogy mikor kapcsolódott be a második kovács. Mennyi jön hát honnan?

9:30 Dan Maoz és Or Graur 2017-es elemzése szerint a világegyetem mai vaskészletét nagyjából fele-fele arányban adta a kétféle szupernóva. A pontos arány a modellektől függ. A véredben lévő vas tehát nem csak az első szupernóvákból jön, és nem is csak egyféle robbanásból.

9:48 Az első szupernóvák ujjlenyomata

Akkor mi a helyzet az első szupernóvákkal? A csillagászok egyébként minden héliumnál nehezebb elemet fémnek hívnak, az oxigént és a szenet is. Ezen a különös nyelven az 5. részben megismert első csillagok teljesen fémmentesek voltak, tiszta hidrogénből és héliumból álltak, és a legelső nehéz elemeket ők szórták szét, néhány százmillió évvel a Nagy Bumm után. Magukat a robbanásaikat még nem láttuk. A gyerekeiket viszont igen. A kis tömegű csillagok rendkívül hosszú életűek: akár tovább élnek, mint amilyen idős ma a világegyetem. Ha egy ilyen csillag olyan gázból született, amit egyetlen első szupernóva szennyezett be, akkor ma is ott ragyoghat, és őrzi az ősi robbanás kémiai ujjlenyomatát.

10:28 Honnan tudjuk? A csillag, amiben szinte nincs vas

Egy ilyen csillaggal az 5. részben már röviden találkoztunk, most nézzük meg a vas szemszögéből.

10:34 2014-ben Stefan Keller és kollégái egy ausztráliai távcső égboltfelmérésében találtak a saját galaxisunkban egy csillagot, amelyben egyáltalán nem tudtak vasat kimutatni. A mennyisége a Napénak legfeljebb tízmilliomod része lehet. Könnyebb elemek, például szén és magnézium, viszont vannak benne. A legjobb magyarázatuk: ez a csillag egyetlen, nagyjából hatvan Nap tömegű első generációs csillag maradványaiból született. Annak a robbanása gyenge volt: a könnyebb elemek kirepültek, a vas viszont visszahullott a közepén keletkező fekete lyukba. Ha ez így van, az első szupernóvák egy része éppen a vasat tartotta meg magának. Ez egyetlen csillag alapján levont következtetés, és vannak más modellek is.

11:16 A legnagyobb első csillagok elméletileg teljesen szétrobbanhattak. Egy ilyen robbanás egyértelmű kémiai ujjlenyomatát viszont, ahogy az 5. részben láttuk, még senki sem találta meg.

11:26 Kitérő: honnan jön az arany?

Egy rövid kitérő a teljesség kedvéért: a vasnál nehezebb elemek, például az arany, jórészt máshol készülnek.

11:34 2017. augusztus 17-én a gravitációshullám-detektorok két neutroncsillag összeolvadását észlelték, és a távcsövek az utána felizzó felhőben nehéz elemek jeleit látták. A vas tehát a csillagok kohójából jön, az arany nagy része pedig valószínűleg halott csillagok ütközéséből. Hogy más ritka robbanások mennyit adnak hozzá, arról még vita van. De jobb, ha tudod, hogy az ujjadon lévő aranygyűrű valaha egy neutroncsillag része volt.

12:02 Ezt tudjuk

Térjünk vissza a vércsepphez. Ezt tudjuk: a benne lévő vas csillagokban készült, és robbanások szórták szét. Ezt is tudjuk: a nikkel bomlásának fényét és a kobalt gammasugarait közvetlenül megmértük. A legvalószínűbb, hogy a Naprendszer vasa rengeteg különböző robbanásból gyűlt össze, és mindkét fajtából, évmilliárdokon át, mielőtt 4,6 milliárd éve összeállt a Nap és a Föld. Lehet, hogy néhány atomod egészen az első szupernóvákig vezethető vissza. Ezt viszont senki nem tudja megmondani. A Föld vasának nagy része ma a bolygó magjában van, és ott kelti azt a mágneses teret, ami véd minket a sugárzástól. Hogy hogyan süllyedt le oda, az a 18. rész témája lesz majd.

12:44 Minden lélegzetvételnél ezek a csillagokban kovácsolt atomok kötik meg az oxigént a tüdődben, és viszik el a sejtjeidhez. Ugyanezek az atomok a Föld négy és fél milliárd éve alatt jártak már kőzetekben, óceánok fenekén, talán egy dinoszaurusz vérében is. Te pedig minden szívverésnél csillagok hamvait küldöd körbe a testedben. Ez a vas a véredben.

13:05 A következő részben

A Tejútrendszer nem csendben, magányosan nőtt fel. Útközben kisebb galaxisokat nyelt el, és azok csillagai ma is ott keringenek a mi csillagaink között, idegen mozgással, idegen kémiai összetétellel. Az ESA Gaia űrtávcsöve megtalálta egy rég elnyelt galaxis maradványait. A következő részben a saját galaxisunk erőszakos múltjába nézünk. Mert az otthonunk egy galaktikus kannibál.