Diamant v souhvězdí Kentaura
Jak vzniká diamant ve vesmíru
Když hvězda velikosti Slunce dojde palivo, neroznáší se jako supernova. Jen pomalu vyhasne. Její vnější vrstvy odnese, co zůstane je bílý trpaslík — koule velikosti Země, ale s hmotností téměř celé původní hvězdy.
Bílý trpaslík je zpočátku teplý — desítky tisíc stupňů. Postupně chladne. A když je dost starý, jeho vnitřek přechází z kapaliny na krystal. Uhlík a kyslík uvnitř se uspořádají do pravidelné mřížky.
Ta mřížka je totéž co diamant, jen v obřích rozměrech.
BPM 37093 — "Lucy"
V roce 2004 astronomové objevili konkrétního bílého trpaslíka BPM 37093. Je vzdálený 53 světelných let (blízko, astronomicky vzato) a podle měření je částečně krystalizovaný.
Dostal přezdívku Lucy, po Beatles písni "Lucy in the Sky with Diamonds". Je to poetické, ale pravdivé. Velká část jeho hmoty je už zkrystalizovaná.
Kolik "karátů"
Celý bílý trpaslík obsahuje asi 10^34 karátů uhlíku. Kdybyste to vyjádřili slovy: deset biliard kvadrilionů karátů. Bohatě stačí všem klenotníkům na planetě po dobu nekonečna.
Hodnota? Nulová. Diamant má hodnotu proto, že je vzácný. Kdyby měl každý pytel, byl by bezcenný. V tomto smyslu je bílý trpaslík nejvíc zdevalvovaný šperk v historii.
Proč je to pěkné
Astronomové často zkoumají vzdálené věci, které vypadají jak nudná skvrna na snímku. Je dobré si připomenout, že ty skvrny jsou konkrétní věci s vlastnostmi. Lucy je diamant o velikosti Země. Kdybychom se tam dostali, stojí na krystalické mřížce.
Vesmír je plný zvláštností. Některé ještě ani neumíme pojmenovat.
Co je bílý trpaslík
Hvězda jako Slunce na konci života vyhodí svoje vnější vrstvy (planetární mlhovina) a její jádro zůstane jako kompaktní zbytek — bílý trpaslík.
Typické parametry:
• Hmotnost: 0.5-1.4 sluneční (Chandrasekharův limit)
• Poloměr: ~ 6000 km (jako Země)
• Hustota: ~ 10⁹ kg/m³ (lžička váží tunu)
• Teplota povrchu: 100 000 K až několik tisíc K
Chladne pomalu — miliardy let. Žádný nukleární zdroj, jen residual heat z kolapsu.
Složení: většinou uhlík (C) a kyslík (O), pozůstatky helium burning fáze hvězdy.
BPM 37093
BPM 37093 je bílý trpaslík v souhvězdí Kentaura, vzdálený ~ 50 světelných let. Hmotnost ~ 1.1 sluneční, povrchová teplota ~ 11 700 K, věk ~ 800 milionů let.
Montour Trojan a kol. v 2004 publikovali měření jeho pulsací (asteroseismology). Z period pulsací se dá vyčíst struktura nitra. Výsledek byl pozoruhodný: alespoň 90 % uhlíku v jádru BPM 37093 je v krystalickém stavu.
Jak může uhlík ztuhnout
Když pomalu chladnete kapalinu, dříve nebo později ztuhne — voda na led, olovo na kov. Pro uhlík v jádru bílého trpaslíka platí to samé, jen teplota tání je vyšší (~ 10 000 K, kvůli extrémnímu tlaku).
Kolem teploty ~ 6000 K v jádru BPM 37093 přechod nastává: kapalný uhlík + kyslík → krystalická mřížka. Proces je pomalý (pokrývá ~ 10 % objemu za miliardu let), ale postupuje.
Krystalická mřížka uhlíku je diamant. Ne 'jako diamant', přesně diamant — sp3 hybridizace, kovalentní vazby, hexagonální nebo kubická struktura.
Velikost diamantu
BPM 37093 má jádro o průměru ~ 4000 km. 90 % z toho je v krystalické fázi → koule o průměru ~ 3800 km z čistého diamantu. Hmotnost: ~ 10²⁹ kg = ~ 10²⁹ × 5 carat/gram = 10³² carat.
To je 10³² karátů. Pro srovnání: největší známý diamant na Zemi (Cullinan) byl 3 106 karátů. BPM 37093 je 30 řádů větší.
Není to 'cenný' v lidském smyslu — nedostanete se k němu. Ale je to reálná, fyzická koule diamantu, který existuje 50 světelných let od nás.
Co se z toho učíme
Bílí trpaslíci jsou 'kosmické laboratoře' extrémních stavů hmoty. Nikde jinde na Zemi nemůžeme studovat uhlík při tlaku 10²² Pa a teplotě 10⁴ K v krystalické fázi. Bílý trpaslík to dělá za nás.
Měření pulsací dává informaci o:
• Stavové rovnici uhlíku a kyslíku v extremních podmínkách (důležité pro modely supernov Ia)
• Teplotě jádra (z period pulsací)
• Síle krystalizace (z amplitud pulsací)
• Magnetickém poli (z modulace pulsací)
Lekce: vesmír jako laboratoř
Hodně extrémní fyziky, kterou bychom rádi věděli, je nedostupná v pozemských laboratořích — ne kvůli teorii, ale kvůli inženýrství. Nedokážeme stlačit uhlík na 10²² Pa. Nedokážeme udržet plazmu při 10⁹ K po sekundy.
Vesmír to dělá rutinně. Bílí trpaslíci, neutronové hvězdy, černé díry — všechno jsou to 'fyzikální experimenty', které příroda provádí sama. Naším úkolem je umět je číst.
BPM 37093 je jeden z nejhezčích příkladů. Diamant velký jako Měsíc, viditelný (skoro) pouhým okem, jednou pulsací každých 10 minut. Příroda je víc nápaditá než nejlepší inženýr.