atomkärnan, kan den splittra kärnan i en process som kallas spallation. Detta är det överväldigande sätt på vilket universum, när det når stjärnornas ålder, producerar nytt litium, beryllium och bor. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Om man skulle ta varje grundämne i det periodiska systemet och ordna dem efter hur vanliga de är i universum, skulle man finna något lite överraskande. Det vanligaste grundämnet är väte, som utgör nästan tre fjärdedelar av universums massa. På ungefär en fjärdedel ligger helium, som huvudsakligen producerades i de tidiga stadierna av den heta Big Bang, men som också produceras av den kärnfusion som sker i de flesta stjärnor, inklusive vår sol.
Därutöver ligger syre på plats 3, kol på plats 4, tätt följt av neon, kväve, järn, magnesium och kisel, som alla produceras i det inre av heta, massiva och gigantiska stjärnor som brinner i heta brinnande stjärnor. I allmänhet är tyngre grundämnen sällsynta och lätta grundämnen rikliga, men det finns tre stora undantag: litium, beryllium och bor. Dessa tre grundämnen är dock de tredje, fjärde och femte lättaste av alla grundämnen. Här är den kosmiska historien om varför de är så sällsynta.
idag, enligt mätningar för vårt solsystem. Trots att litium, beryllium och bor är de 3:e, 4:e och 5:e lättaste grundämnena av alla, är förekomsterna av litium, beryllium och bor långt under alla andra närliggande grundämnen i det periodiska systemet. MHz`as/Wikimedia Commons (bild); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (data)
Omedelbart efter den heta Big Bang bildades de första atomkärnorna ur ett ultraenergiskt hav av kvarkar, leptoner, fotoner, gluoner och antipartiklar. När universum svalnade annihilerades antipartiklarna, fotonerna upphörde att vara tillräckligt energiska för att spränga sönder bundna atomkärnor, och därför började det tidiga universums protoner och neutroner att smälta samman. Om vi hade kunnat skapa de tunga grundämnen som finns på jorden hade universum kunnat vara redo för liv redan när de första stjärnorna föddes.
Olyckligtvis för våra drömmar om att universum skulle födas med de ingredienser som krävs för liv, förblir fotoner för energirika för att bilda ens den enklaste tunga kärnan – deuterium, med en proton och en neutron bundna till varandra – förrän mer än tre minuter har gått sedan Big Bang. När kärnreaktionerna kan fortsätta är universum bara en miljarddel så tätt som solens centrum.
helium-3 och litium-7 enligt förutsägelser från Big Bang Nucleosynthesis, med observationer som visas i de röda cirklarna. Observera den viktigaste punkten här: en bra vetenskaplig teori (Big Bang Nucleosynthesis) gör robusta, kvantitativa förutsägelser om vad som bör existera och vara mätbart, och mätningarna (i rött) stämmer utomordentligt väl överens med teorins förutsägelser, vilket bekräftar den och begränsar alternativen. Kurvorna och den röda linjen gäller tre neutrinoarter; fler eller färre leder till resultat som står i allvarlig konflikt med data, särskilt för deuterium och helium-3. NASA / WMAP Science Team
Detta är fortfarande en ganska bra affär, eftersom det ger oss ett universum som består av ungefär 75 % väte, 25 % helium-4, ungefär 0,01 % deuterium och helium-3 vardera och ungefär 0,0000001 % litium. Denna lilla mängd litium är vad som fanns innan några stjärnor i universum bildades, och det är en riktigt, riktigt bra sak för oss, eftersom litium är ett ganska viktigt grundämne för många tillämpningar, tekniker och till och med biologiska funktioner här på jorden, inklusive hos människor.
Men när man väl börjar bilda stjärnor förändras allting. Ja, när man väl uppnår stjärnliknande tätheter tillsammans med temperaturer som stiger över cirka 4 miljoner K börjar man smälta väte till helium; vår sol är upptagen med att göra det just nu. De kärnprocesser som sker är bokstavligen universumförändrande. Fast de förändrar inte bara saker och ting på det sätt som vi skulle vilja; de förändrar också saker och ting i en oväntad riktning.
av proton-proton-kedjan, som producerar helium-4 från det ursprungliga vätgasbränslet. Detta är den kärnprocess som smälter väte till helium i solen och alla liknande stjärnor. Wikimedia Commons-användare Sarang
När man bildar en stjärna är det inte bara väte som når de astronomiskt höga temperaturerna, utan alla partiklar inuti. Tyvärr för litium är detta temperaturer som är mer än tillräckliga för att spränga det i bitar. Litium har varit ett av de mest notoriskt svåraste grundämnena att mäta i universum av främst denna anledning: när vi kommer fram till nutid och på ett tillförlitligt sätt kan utvinna en litiumsignal har mycket av det som universum började med redan förstörts.
”Vänta lite”, kan jag höra dig invända. ”Universum är helt klart fullt av dessa tunga grundämnen: kol, kväve, syre, fosfor och alla grundämnen som är nödvändiga för liv, hela vägen upp i det periodiska systemet till uran och till och med längre än så. Det måste väl finnas ett sätt att tillverka dem, eller hur?”
Inde fact har du rätt.
grundämnen som är tyngre än väte kan ge oss ett kraftfullt fönster in i universums förflutna, liksom en inblick i vårt eget ursprung. Varje grundämne som tillverkats efter litium kan dock inte ha kommit till oss från de tidigaste tiderna i universum, utan behövde snarare skapas senare. Wikimedia Commons user Cepheus
När varje tillräckligt massiv stjärna (inklusive vår sol) bränner upp allt väte i sin kärna, saktar kärnfusionen in och upphör. Plötsligt börjar det strålningstryck som höll stjärnans inre uppe mot gravitationskollaps att sjunka, och kärnan börjar krympa.
I fysiken värms ett system av materia upp när det komprimeras snabbt i förhållande till en viss tidsskala. I stjärnors inre kan en kärna som till största delen består av helium nå så extrema temperaturer att kärnfusionen av helium till kol kan börja, genom en speciell kärnreaktion som kallas trippel-alfa-processen. I stjärnor som solen är kolet slut, och det enda sättet att bilda tyngre grundämnen är genom produktion av neutroner, vilket kan föra dig mycket långsamt uppåt i det periodiska systemet.
När heliumfusionen helt och hållet har gått i gång kommer stjärnans yttre skikt att stötas ut i en planetarisk nebulosa medan kärnan krymper ner och bildar en vit dvärg.
och inriktningar beroende på egenskaperna hos det stjärnsystem de uppstår ur, och är ansvariga för många av de tunga grundämnena i universum. Överjättestjärnor och jättestjärnor som går in i den planetariska nebulosafasen visas båda bygga upp många viktiga grundämnen i det periodiska systemet via s-processen. NASA, ESA och Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Men det finns stjärnor som är mycket mer massiva än så och som kan genomgå kolfusion när kärnan drar ihop sig ännu mer. Stjärnor där detta sker kommer att fusionera kol till syre, syre till neon, neon till magnesium, och upp och upp tills de har skapat kisel, svavel, argon, kalcium och grundämnen ända upp till järn, nickel och kobolt. När de slutligen har slut på användbart bränsle avslutar de sina liv i en kataklysmisk händelse som kallas supernova.
Dessa supernovor står för en stor del av många av universums tyngre grundämnen, medan andra händelser som sammanslagningar av vita dvärgar med vita dvärgar eller sammanslagningar av neutronstjärnor med neutronstjärnor producerar resten. Mellan stjärnor som avslutar sitt liv i planetariska nebulosor eller supernovor, samt sammanslagningar av deras rester, kan vi redogöra för den överväldigande majoriteten av de grundämnen som finns i naturen.
liv, som kulminerar i en supernova av typ II när kärnan tar slut på kärnbränsle. Det sista fusionsstadiet är vanligtvis kiselförbränning, vilket producerar järn och järnliknande element i kärnan under endast en kort stund innan en supernova uppstår. Många av supernovaresterna kommer att leda till bildandet av neutronstjärnor, som kan producera de största mängderna av de tyngsta grundämnena av alla. Nicole Rager Fuller/NSF
Mellan följande mekanismer:
- Big Bang,
- de väteförbrännande stjärnorna,
- de heliumförbrännande stjärnorna (komplett med emission och absorption av neutroner),
- de kol-och-bortomförbrännande stjärnorna (komplett med deras slut på livet i supernovor av typ II),
- sammanfogningen av vita dvärgar (som ger upphov till supernovor av typ Ia),
- och sammanslagningen av neutronstjärnor (som ger upphov till kilonovor och flertalet av de tyngsta grundämnena),
vi kan redogöra för praktiskt taget vart och ett av de grundämnen som vi finner i universum. Det finns ett par instabila grundämnen som hoppar över – technetium och promethium – eftersom de sönderfaller för snabbt. Men tre av de lättaste grundämnena behöver en ny metod, eftersom ingen av dessa mekanismer skapar beryllium eller bor, och den mängd litium vi ser kan inte förklaras enbart av Big Bang.
ursprung, är detaljerade i denna bild ovan. Medan de flesta grundämnen främst uppstår i supernovor eller i neutronstjärnor som smälter samman, skapas många livsviktiga grundämnen delvis eller till och med till största delen i planetariska nebulosor, som inte uppstår från den första generationen av stjärnor. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Hydrogen smälter till helium, och helium är grundämne nr 2. Det krävs tre heliumkärnor för att smälta samman till kol, där kol är grundämne nr 6. Men hur är det med de tre grundämnena däremellan? Hur är det med litium, beryllium och bor?
Det visar sig att det inte finns några stjärnprocesser som skapar dessa grundämnen i tillräckliga mängder utan att förstöra dem nästan lika snabbt, och det finns ett bra fysikaliskt skäl till det. Om man skulle lägga till väte till helium skulle man skapa litium-5, som är instabilt och sönderfaller nästan omedelbart. Du skulle kunna försöka smälta samman två helium-4-kärnor för att skapa beryllium-8, som också är instabil och sönderfaller nästan omedelbart. Faktum är att alla kärnor med massorna 5 eller 8 är instabila.
Du kan inte göra dessa grundämnen från stjärnreaktioner som involverar lätta eller tunga grundämnen; det finns inget sätt att göra dem i stjärnor överhuvudtaget. Ändå finns litium, beryllium och bor inte bara, de är viktiga för livsprocesserna här på jorden.
cell, med många av de välkända strukturerna inuti, inklusive dess primära och sekundära cellväggar. Grundämnet bor är absolut nödvändigt för livet som vi känner det på jorden. Utan bor skulle växternas cellväggar inte existera. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Dessa grundämnen har i stället sin existens att tacka för de mest energirika partikelkällorna i universum: pulsarer, svarta hål, supernovor, kilonovor och aktiva galaxer. Dessa är universums kända naturliga partikelacceleratorer som spyr ut kosmiska partiklar i alla riktningar i hela galaxen och till och med över de enorma intergalaktiska avstånden.
De energirika partiklar som produceras av dessa objekt och händelser rör sig i alla riktningar och kommer så småningom att stöta på en annan materiepartikel. Om den partikeln som den träffar visar sig vara en kolkärna (eller en tyngre) kan kollisionens höga energier orsaka en annan kärnreaktion som spränger sönder den större kärnan och skapar en kaskad av partiklar med lägre massa. Precis som kärnklyvning kan dela en atom i lättare grundämnen kan kollisionen av en kosmisk stråle med en tung kärna på samma sätt spränga sönder dessa tunga, komplexa partiklar.
Det supermassiva svarta hålet i accretionsskivans centrum skickar en smal, högenergirik stråle av materia ut i rymden, vinkelrätt mot det svarta hålets accretionsskiva. Händelser och objekt som detta kan skapa enormt accelererade kosmiska partiklar, som kan slå in i tunga atomkärnor och spränga dem sönder i mindre beståndsdelar. DESY, Science Communication Lab
När man slår en högenergipartikel in i en massiv atomkärna splittras den stora kärnan i en mängd olika partiklar. Denna process, som kallas spallation, är hur majoriteten av litium, beryllium och bor bildades i vårt universum. Dessa är de enda grundämnena i universum som huvudsakligen bildas genom denna process, snarare än av stjärnor, stjärnrester eller själva Big Bang.
När man tittar på hur rikligt förekommande alla de grundämnen vi känner till är, finns det en ytligt sett förvånande brist på de 3:e, 4:e och 5:e lättaste grundämnena av alla. Det finns en enorm klyfta mellan helium och kol, och äntligen vet vi varför. Det enda sättet att producera dessa kosmiska rariteter är genom en slumpmässig kollision mellan partiklar som strömmar genom universum, och det är därför som det bara finns några miljarddelar av alla dessa grundämnen jämfört med kol, syre och helium. Spallation av kosmisk strålning är det enda sättet att framställa dem när vi väl har kommit in i stjärnornas tidsålder, och miljarder år senare är även dessa spårämnen viktiga för livets bok.
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.