Prakticky všechny chemické prvky těžší než helium vyžadují pro svůj vznik extrémní podmínky, které panují v nitru hvězd. V případě uhlíku, základního stavebního kamene živých organismů na Zemi, je potřeba, aby jeho jádro prošlo jistým speciálním přechodným stavem, tzv. Hoyleovým stavem. Jinak uhlík prostě nevznikne.
Anglický astronom Fred Hoyle uvedený stav objevil již v roce 1954 a naštěstí pro nás (a asi pro veškerý život v celém vesmíru) existenci tohoto zvláštního stavu následně potvrdila řada experimentů. Ale až do dneška ho nikdo neuměl matematicky popsat.
Hoyleův stav
Jde o excitovaný stav jádra atomu uhlíku s přesně danými vlastnostmi nutnými k tomu, aby uvnitř hvězd došlo k syntéze uhlíku. Od poloviny padesátých let se vědci z celého světa pokoušeli tento stav nalézt, resp. spočítat.
Marně, nikomu z nich se to nepodařilo. A že se tímto problémem zabývali nějaké vědecké kapacity. Kdyby Hoyleův stav neexistoval, tak by bylo ve vesmíru jen velmi malé množství uhlíku nebo jiných těžších prvků jako například kyslík, dusík či železo.
A pravděpodobně by v něm neexistoval ani život. Celý vesmír by pak nebyl nic jiného než obrovský shluk prachoplynových chuchvalců s minimem těžkých prvků. Jenže život existuje, my sami jsme toho důkazem.
3 alfa proces
Děj, při kterém v nitru hvězd vzniká uhlík, označují vědci jako 3 alfa proces. Při něm se nejdříve dvě alfa částice (jádra helia) spojí a vytvoří jádro beryllia. To následně reaguje s další, třetí alfa částicí a vzniká uhlík. Ovšem toto uhlíkové jádro se nalézá ve speciálním stavu o velmi vysoké energii.
Pravděpodobnost 3 alfa procesu by měla být extrémně malá. Jenže základní stav beryllia má skoro přesně stejnou energii jako dvě alfa částice a podobně i souhrn energie beryllia a třetí alfa částice se téměř rovná energii excitovaného uhlíku. Tato rezonance pravděpodobnost celého procesu významně zvyšuje.
Anglický astronom Fred Hoyle objevil Hoyleův stav již v roce 1954... |
Právě proto Hoyleův stav při tvorbě uhlíku ve hvězdách hraje tak důležitou roli, představuje totiž jakýsi vrcholek, který musí jaderný proces překonat, aby mohl ze tří jader helia vzniknout stabilní uhlíkový atom.
Heuréka
Od roku 1954 je Hoyleův stav znám, matematický vzorec však chyběl. Než se do výzkumu tohoto problému vložili němečtí vědci. "Je to, jako kdybyste chtěli analyzovat rádiový signál, ve kterém dochází k vzájemné interferenci signálů z hlavního vysílače a několika dalších pomocných vysílačů," tvrdí Evgeny Epelbaum, teoretický fyzik a spoluautor studie, která se Hoyleovým stavem zabývala.
Hlavní vysílač v tomto případě představuje stabilní jádro uhlíku. "Ale nás zajímá jedno nestabilní, na energii bohaté uhlíkové jádro; takže musíme slabší rádiový signál oddělit od toho dominantního nějakým filtrem šumu," vysvětluje díle Epelbaum.
Podle Epelbauma všechny předchozí pokusy o výpočet Hoyleova stavu selhaly, protože nepočítaly s dostatečnou přesností potřebnou k tomu, aby byly zohledněny všechny fundamentální procesy, které se při vzniku jader uhlíku odehrávají.
Němečtí vědci šly na věc s pečlivostí sobě vlastní. K matematickému popisu Hoyleova stavu využili jeden z nejmodernějších superpočítačů. Celý výpočet trval zhruba týden. Na jeho konci stály výsledky, které výborně souhlasí s dřívějšími experimenty. Právem se proto domnívají, že Hoyleův stav skutečně vypočítali.
"Nyní můžeme prozkoumat tuto základní formu uhlíkového jádra v každém detailu," tvrdí Ulf Meibner, který se na studii rovněž podílel. "Určíme jeho velikost i strukturu. Což také znamená, že budeme schopni detailně analyzovat celý řetězec tvorby chemických prvků."
Fyzikální pokusy ukazují, že fundamentální přírodní konstanty jsou ve vesmíru velice jemně vyladěny jen na určité hodnoty. Hoyleův stav je toho dobrým příkladem. Musí mít právě takové množství energie, jaké má, jinak bychom tu nebyli.
