Existovaly ve vesmíru neznámé chemické prvky nebo za nimi musíme do vesmírů jiných?

Už mnohokrát věda objevila neuvěřitelné věci. Kdo by dřív tušil, že vesmír vznikl velkým třeskem, že je čas nebo prostor (vlastně prostoročas) pružný, relativní, že existují neutronové hvězdy, nebo že člověk vznikl evolucí?

Vesmír je prostě tajemné místo, které nás stále a znova překvapuje a nejednou i šokuje. Jako by bylo možné vše, co dříve považujeme za nemožné. Ale to je jen povrchní dojem. Je možné ledacos, co si lidská fantazie ani zdaleka neumí představit, ale obrovskou většinu toho, co lidská snění vytvoří, vesmír nepřipouští (třeba hejkaly, uhranutí, mimosmyslové vnímání, placatou Zemi na želvě atd.) Fantazie vesmíru je očividně větší než ta lidská, která se točí tak trochu v kruhu a vlastně recykluje v trochu jiné podobě nám známé věci (viz Má větší fantazii člověk nebo vesmír?).

Ale pojďme k těm chemickým prvkům. Po velkém třesku vypadal vesmír zcela jinak než dnes. Už jeho začátek byl velmi podivný, byl to maličký "praatom" (ale kvantová gravitace tomu až tak nevěří). Pak se vesmír nafoukl nadsvětelnou rychlostí inflací (viz obrázek níže), o níž vlastně nikdo pořádně neví, co to je. Trochu normální stav nastal teprve po inflaci, a to bylo kvark-gluonové plazma. Kvarky jsou ty částice, které třeba v trojici tvoří protony a neutrony, a jsou k tomuto "účelu" spojovány gluony. (Ony se mohou kvarky v atomových jádrech měnit v gluony a naopak, ale to není podstatné.) Při chladnutí tohoto plazmatu díky dalšímu rozpínání vesmíru začala vznikat baryonová hmota. Baryony jsou částice složené z lichého počtu kvarků, a proton a neutron patří mezi ně.

Při vzniku této hmoty vlastně vznikal i její protiklad, antihmota. Tyto dvě spolu anihilovaly, ale té naší bylo o maličko více, z kteréhožto malého přebytku později vznikly všechny galaxie. Asi po 380 tisíci letech od velkého třesku se elektromagnetické záření oddělilo od baryonové hmoty (nicméně záření se svými fotony je též forma hmoty). A toto záření, zvané reliktní, dnes můžeme pozorovat a má teplotu asi 2,7 Kelvinů (viz jeho mapa na obrázku níže).

Ale jak to bylo s těmi prvky? Když v dobách dávných bylo "všechno jinak", neexistovaly třeba i takové, které dnes neznáme? V každém případě ty první vznikaly už před počátkem průhlednosti vesmíru, který uvolnil reliktní záření. Byly to ty nejjednodušší, vodík a hélium. Otázka ale zní: byl to ten vodík a to hélium, které známe dnes? Měly stejné vlastnosti? A také, neexistovaly třeba těžší prvky, než nám dnes ukazuje Mendělejevova periodická tabulka (viz obrázek níže)? A nebyly ty z této tabulky tenkrát poněkud jiné? A překvapivě je to možné. Na tyto otázky umí odpovědět spektroskopie.

Spektroskopie je disciplína, která umí analyzovat chemické složení těles na základě toho, jaké vysílají záření (emisní spektroskopie) nebo na základě toho, jaké záření pohlcují (absorpční spektroskopie - viz tmavé absorpční čáry na obrázku níže). Věc je v tom, že "dráhy" elektronů kolem atomových jader jsou kvantovány, nemohou nabývat libovolných hodnot. A frekvence fotonů jak vyslaných tak pohlcených atomy, je dána rozdílem energií dvou elektronových "drah". Při vyslání fotonu je vybuzený elektron na dráze s větší energií a když klesne o dráhu níže, vyšle foton s energií přesně definovanou. Při pohlcení fotonu se elektron zase přemístí z nižší dráhy na vyšší. Ale energie a tedy i frekvence fotonu je přesně stejná jako při jeho vyslání. O nich rozhoduje zejména hlavní kvantové číslo ("velikost" orbitu). Jenže vliv tady mají i další kvantová čísla a další okolnosti, a též je elektronů u většiny prvků více, takže výsledek je, že každý prvek má svůj přesný "podpis" v podobě několika spektrálních čar, s přesně určenými kmitočty.

Zajímavé leč pochopitelné je, že stejný "zářivý podpis" má prvek na Zemi, když ho rozžhavíme plamenem, a stejný, když je rozpálen v nějaké hvězdě. To spojuje fyziku pozemskou s fyzikou nebes, stejně jako Newton spojil tyto "dvě  fyziky" svým gravitačním zákonem. A máme tedy pro příznivce divokých fantazií smutnou zprávu. Není známo jediné pozorování nějakého prvku, který je ve vesmíru, ale není znám na Zemi. No, dobrá, tento empirický základ podložený tisíce a snad milióny pozorováními je dostatečně přesvědčivý. Co ale minulost vesmíru? Tak by šance byla, ne? Tady přinášíme další smutnou zprávu, která je založena na teorii relativity. (Nakonec ale přijde naděje.)

Vezmeme-li vážně její definici současnosti, je jasné, že vidíme vzdálené galaxie a hvězdy v minulosti. Přestože pro vzdálené objekty funguje rudý posuv daný rozpínáním vesmíru, tedy vzdalováním těchto objektů od nás, a tedy jsou spektrální čáry posunuty k rudému konci spektra, přesto jsou tyto spektrální "podpisy" prvků stejné, jen kousek vedle. Je tedy prokázáno, že i v daleké minulosti byly prvky stejné jako jsou dnes. Kdybychom tedy chtěli objevit jiné než nám známé prvky, museli bychom zaletět do jiného vesmíru, který by byl dost podobný na to, aby měl skoro stejné kvarky, protony, neutrony a elektrony, ale přesto by byl trochu jiný, aby byly odlišné některé jeho vlastnosti. Třeba elementární náboj by se trochu lišil, aby se atomová jádra a elektrony přitahovaly jinou silou, nebo by byla odlišná Planckova konstanta, což by změnilo velikost a tvar elektronových orbitů v atomu. Prvky by pak byly opravdu jiné, mohlo bych jich být méně nebo i podstatně více. A jestli se chceme přesvědčit, že další vesmíry prostě existovat musí, zkuste text Co bylo před velkým třeskem. Nic?. I když tyto vesmíru určitě nebudou obsahovat kopie nás samých: Nevědecké pohádky moderní vědy II - kvantové paralelní vesmíry s kopiemi nás samých.

P.S.: Pakliže by někdo chtěl v populární formě zabrousit (nejen) do historie spektroskopie, doporučuji přednášku Prof. Podolského z MFF UK v Praze Příběh spekter - Od duhy ke svědectví spektrálních čar o jednotě světa: