atomové jádro může toto jádro rozštěpit v procesu známém jako spallation. To je ohromující způsob, jakým vesmír, jakmile dosáhne stáří hvězd, produkuje nové lithium, berylium a bor. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Pokud byste vzali všechny prvky v periodické tabulce a seřadili je podle toho, jak hojně se vyskytují ve vesmíru, zjistili byste něco trochu překvapivého. Nejrozšířenějším prvkem je vodík, který tvoří téměř tři čtvrtiny vesmíru podle hmotnosti. Přibližně na jedné čtvrtině je helium, které vzniklo převážně v raných fázích horkého velkého třesku, ale také při jaderné fúzi probíhající ve většině hvězd včetně našeho Slunce.
Na třetím místě je kyslík, na čtvrtém uhlík, těsně následovaný neonem, dusíkem, železem, hořčíkem a křemíkem, které všechny vznikají v nitru horkých hořících, hmotných a obřích hvězd. Obecně jsou těžší prvky vzácné a lehké prvky hojné, ale existují tři velké výjimky: lithium, berylium a bor. Přesto jsou tyto tři prvky třetí, čtvrtý a pátý nejlehčí ze všech. Zde je vesmírný příběh o tom, proč jsou tak vzácné.
dnes, podle měření pro naši sluneční soustavu. Přestože se jedná o 3., 4. a 5. nejlehčí prvek ze všech, množství lithia, berylia a bóru je mnohem nižší než všech ostatních blízkých prvků v periodické tabulce. MHz`as/Wikimedia Commons (obrázek); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (data)
Bezprostředně po horkém velkém třesku vznikla první atomová jádra z ultraenergetického moře kvarků, leptonů, fotonů, gluonů a antičástic. Jak se vesmír ochlazoval, antičástice anihilovaly, fotony přestaly být dostatečně energetické na to, aby rozmetaly vázaná jádra, a tak se protony a neutrony raného vesmíru začaly slučovat. Kdyby se podařilo vytvořit těžké prvky, které se nacházejí na planetě Zemi, mohl být vesmír připraven pro život již v době zrodu prvních hvězd.
Naneštěstí pro naše sny o zrodu vesmíru se složkami potřebnými pro život zůstávají fotony příliš energetické na to, aby vytvořily i to nejjednodušší těžké jádro – deuterium s jedním vázaným protonem a jedním neutronem – dokud neuplynou více než tři minuty od velkého třesku. V době, kdy mohou probíhat jaderné reakce, má vesmír pouze miliardtinovou hustotu jako střed Slunce.
helium-3 a lithium-7 podle předpovědi nukleosyntézy velkého třesku, přičemž pozorování jsou znázorněna červenými kroužky. Všimněte si zde klíčového bodu: dobrá vědecká teorie (nukleosyntéza velkého třesku) podává robustní, kvantitativní předpovědi toho, co by mělo existovat a být měřitelné, a měření (červeně) se mimořádně dobře shodují s předpověďmi teorie, což ji potvrzuje a omezuje alternativy. Křivky a červená čára jsou pro 3 druhy neutrin; větší nebo menší počet vede k výsledkům, které jsou v příkrém rozporu s daty, zejména pro deuterium a helium-3. NASA / vědecký tým WMAP
Je to stále docela dobrý výsledek, protože nám dává vesmír tvořený asi 75 % vodíku, 25 % helia-4, asi po 0,01 % deuteria a helia-3 a přibližně 0,0000001 % lithia. Toto nepatrné množství lithia existovalo před vznikem jakýchkoli hvězd ve vesmíru, a to je pro nás opravdu, opravdu dobrá věc, protože lithium je docela důležitý prvek pro mnoho aplikací, technologií a dokonce i biologických funkcí zde na Zemi, včetně člověka.
Jakmile ale začnou vznikat hvězdy, všechno se změní. Ano, jakmile dosáhnete hustoty podobné hvězdám spolu s teplotami, které stoupnou nad zhruba 4 miliony K, začnete slučovat vodík na helium; naše Slunce je tím právě teď zaměstnáno. Probíhající jaderné procesy doslova mění vesmír. Jenže nemění věci jen tak, jak bychom si přáli; mění je také nečekaným směrem.
proton-protonového řetězce, který z původního vodíkového paliva vyrábí helium-4. Jedná se o jaderný proces, při kterém dochází ke slučování vodíku na helium ve Slunci a všech jemu podobných hvězdách. Wikimedia Commons uživatel Sarang
Při vzniku hvězdy nedosahuje těchto astronomicky vysokých teplot jen vodík, ale všechny částice uvnitř. Naneštěstí pro lithium jsou to teploty, které jsou více než dostatečné k jeho rozmetání. Lithium je jedním z notoricky nejobtížněji měřitelných prvků ve vesmíru především z tohoto důvodu: než se dostaneme do současnosti a dokážeme spolehlivě extrahovat lithiový signál, velká část toho, čím vesmír začínal, už byla zničena.
„Počkejte,“ slyším vás namítat. „Vesmír je zjevně plný těchto těžkých prvků: uhlíku, dusíku, kyslíku, fosforu a všech prvků nezbytných pro život, až po periodickou tabulku prvků k uranu a ještě dál. Určitě musí existovat způsob, jak je vyrobit, ne?“
Jistě máte pravdu.
Prvky těžší než vodík nám mohou poskytnout mocné okno do minulosti vesmíru i vhled do našeho vlastního původu. Každý prvek vyrobený po lithiu k nám však nemohl přijít z nejstarších dob vesmíru, ale musel vzniknout později. Wikimedia Commons uživatel Cepheus
Když každá dostatečně hmotná hvězda (včetně našeho Slunce) spálí veškerý vodík ve svém jádře, jaderná fúze se zpomalí a zastaví. Najednou začne klesat tlak záření, které udržovalo nitro hvězdy proti gravitačnímu kolapsu, a jádro se začne smršťovat.
Ve fyzice platí, že když se nějaký systém hmoty rychle stlačuje vzhledem k určité časové stupnici, zahřívá se. V nitru hvězd může převážně heliové jádro dosáhnout tak extrémních teplot, že může začít jaderná fúze helia na uhlík, a to prostřednictvím zvláštní jaderné reakce známé jako proces trojité alfa. Ve hvězdách, jako je Slunce, je uhlík konečnou stanicí a jediný způsob, jak vznikají těžší prvky, je produkce neutronů, což vás může v periodické tabulce velmi pomalu posunout nahoru.
Když fúze helia plně proběhne, vnější vrstvy hvězdy se vyvrhnou v planetární mlhovině, zatímco jádro se smrští a vytvoří bílého trpaslíka.
a orientace v závislosti na vlastnostech hvězdného systému, ze kterého vznikají, a jsou zodpovědné za vznik mnoha těžkých prvků ve vesmíru. Ukazuje se, že jak superobří hvězdy, tak obří hvězdy vstupující do fáze planetární mlhoviny vytvářejí mnoho důležitých prvků periodické tabulky prostřednictvím s-procesu. NASA, ESA a The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Ale existují i mnohem hmotnější hvězdy, které jsou schopny procházet fúzí uhlíku, protože se jejich jádro smršťuje ještě více. Hvězdy, kde k tomu dochází, budou slučovat uhlík na kyslík, kyslík na neon, neon na hořčík a tak dále a dále, až vytvoří křemík, síru, argon, vápník a prvky až po železo, nikl a kobalt. Když jim konečně dojde užitečné palivo, ukončí svůj život kataklyzmatickou událostí známou jako supernova.
Tyto supernovy jsou zodpovědné za velkou část mnoha těžších prvků ve vesmíru, zatímco ostatní události, jako je splynutí bílého trpaslíka s bílým trpaslíkem nebo splynutí neutronové hvězdy s neutronovou, produkují zbytek. Mezi hvězdami, které končí svůj život v planetárních mlhovinách nebo supernovách, a také splynutími jejich zbytků můžeme vysvětlit drtivou většinu prvků, které se v přírodě vyskytují.
život, který vrcholí v supernově typu II, když jádru dojde jaderné palivo. Poslední fází fúze je typicky hoření křemíku, při němž v jádře vzniká železo a železu podobné prvky jen na krátkou dobu, než následuje supernova. Mnoho pozůstatků po supernovách povede ke vzniku neutronových hvězd, které mohou produkovat největší množství nejtěžších prvků ze všech. Nicole Rager Fuller/NSF
Mezi následujícími mechanismy:
- velký třesk,
- hvězdy spalující vodík,
- hvězdy spalující helium (doplněné o emisi a absorpci neutronů),
- hvězdy spalující uhlík a další částice (doplněné o jejich konec života v supernovách typu II),
- splynutí bílých trpaslíků (produkujících supernovy typu Ia),
- a splynutí neutronových hvězd (produkujících kilonové hvězdy a většinu nejtěžších prvků),
umíme vysvětlit prakticky všechny prvky, které ve vesmíru najdeme. Pár nestabilních prvků jsme vynechali – technecium a promethium – protože se příliš rychle rozpadají. Tři z nejlehčích prvků však potřebují novou metodu, protože žádný z těchto mechanismů nevytváří berylium nebo bor a množství lithia, které pozorujeme, nelze vysvětlit pouze velkým třeskem.
vznik, jsou podrobně popsány na tomto obrázku výše. Zatímco většina prvků vzniká především v supernovách nebo splývajících neutronových hvězdách, mnoho životně důležitých prvků vzniká částečně nebo dokonce převážně v planetárních mlhovinách, které nevznikly z první generace hvězd. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Vodík se slučuje na helium a helium je prvek č. 2. V tomto případě se jedná o prvek č. 2. K fúzi na uhlík je zapotřebí tří jader helia, přičemž uhlík je prvek č. 6. Ale co ty tři prvky mezi nimi? Co lithium, berylium a bor?“
Jak se ukazuje, neexistují žádné hvězdné procesy, které by tyto prvky vytvářely v dostatečném množství, aniž by je téměř stejně rychle zničily, a existuje pro to dobrý fyzikální důvod. Pokud byste k heliu přidali vodík, vzniklo by lithium-5, které je nestabilní a téměř okamžitě se rozpadá. Mohli byste se pokusit spojit dvě jádra helia-4 a vytvořit berylium-8, které je rovněž nestabilní a téměř okamžitě se rozpadá. Ve skutečnosti jsou nestabilní všechna jádra s hmotností 5 nebo 8.
Tyto prvky nelze vyrobit z hvězdných reakcí zahrnujících lehké nebo těžké prvky; ve hvězdách je nelze vyrobit vůbec. Přesto lithium, berylium a bor nejenže existují, ale jsou nezbytné pro životní procesy zde na Zemi.
buňka s mnoha známými strukturami uvnitř, včetně její primární a sekundární buněčné stěny. Prvek bór je naprosto nezbytný pro život, jak ho známe na Zemi. Bez bóru by neexistovaly buněčné stěny rostlin. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Tyto prvky naopak vděčí za svou existenci nejenergetičtějším zdrojům částic ve vesmíru: pulsarům, černým dírám, supernovám, kilonovám a aktivním galaxiím. To jsou známé přirozené urychlovače částic ve vesmíru, které chrlí kosmické částice všemi směry po celé galaxii a dokonce i přes obrovské mezigalaktické vzdálenosti.
Energetické částice produkované těmito objekty a událostmi se pohybují všemi směry a nakonec narazí na jinou částici hmoty. Pokud se ukáže, že tato částice, na kterou narazí, je jádrem uhlíku (nebo těžším jádrem), může vysoká energie srážky způsobit další jadernou reakci, která rozmetá větší jádro na kusy a vytvoří kaskádu částic s nižší hmotností. Stejně jako jaderné štěpení může rozštěpit atom na lehčí prvky, může srážka kosmického záření s těžkým jádrem podobně rozmetat tyto těžké, složité částice na kusy.
Supermasivní černá díra ve středu akrečního disku vysílá do vesmíru úzký vysokoenergetický proud hmoty, kolmý na akreční disk černé díry. Události a objekty, jako je tento, mohou vytvářet enormně urychlené kosmické částice, které mohou narážet do těžkých atomových jader a rozbíjet je na menší součásti. DESY, Laboratoř vědecké komunikace
Při nárazu vysokoenergetické částice do masivního jádra se velké jádro rozpadne na různé složkové částice. Tímto procesem, známým jako spallation, vznikla v našem vesmíru většina lithia, berylia a boru. Jsou to jediné prvky ve vesmíru, které primárně vznikly tímto procesem, nikoliv ve hvězdách, hvězdných pozůstatcích nebo při samotném velkém třesku.
Pokud se podíváme na to, jak hojné jsou všechny prvky, které známe, je na první pohled překvapivý nedostatek 3., 4. a 5. nejlehčího prvku ze všech. Mezi héliem a uhlíkem je obrovská propast a my konečně víme proč. Jediný způsob, jak tyto vesmírné rarity vzniknout, je náhodná srážka částic prolétajících vesmírem, a to je důvod, proč existuje jen několik miliardtin množství některého z těchto prvků ve srovnání s uhlíkem, kyslíkem a heliem. Rozpad kosmického záření je jediným způsobem, jak je vyrobit, jakmile vstoupíme do věku hvězd, a po miliardách let jsou i tyto stopové prvky nezbytné pro knihu života.
Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.