atomkernen, kan den splitte kernen ad i en proces, der kaldes spallation. Dette er den overvældende måde, hvorpå universet, når det når stjernernes alder, producerer nyt lithium, beryllium og bor. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Hvis man tager alle grundstoffer i det periodiske system og ordner dem efter hvor hyppige de er i universet, vil man finde noget lidt overraskende. Det mest almindelige grundstof er brint, som udgør næsten tre fjerdedele af universet efter masse. På omkring en fjerdedel ligger helium, der hovedsagelig blev produceret i de tidlige stadier af det varme Big Bang, men også ved den kernefusion, der finder sted i de fleste stjerner, herunder vores sol.
Dernæst ligger ilt på tredjepladsen, kulstof på fjerdepladsen, tæt fulgt af neon, nitrogen, jern, magnesium og silicium, som alle produceres i det indre af varmforbrændte, massive og kæmpestjerner. Generelt er tungere grundstoffer sjældne, og lette grundstoffer er rigelige, men der er tre store undtagelser: lithium, beryllium og bor. Disse tre grundstoffer er dog de 3., 4. og 5. letteste af alle grundstoffer. Her er den kosmiske historie om, hvorfor de er så sjældne.
i dag, som det er målt for vores solsystem. På trods af at de er det 3., 4. og 5. letteste grundstof af alle, er hyppighederne af lithium, beryllium og bor langt under alle de andre nærliggende grundstoffer i det periodiske system. MHz`as/Wikimedia Commons (billede); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (data)
I umiddelbar forlængelse af det varme Big Bang blev de første atomkerner dannet af et ultra-energisk hav af kvarker, leptoner, fotoner, gluoner og antipartikler. Efterhånden som universet blev afkølet, blev antipartiklerne annihileret, fotonerne ophørte med at være energiske nok til at sprænge bundne atomkerner fra hinanden, og derfor begyndte det tidlige univers’s protoner og neutroner at smelte sammen. Hvis vi kunne skabe de tunge grundstoffer, der findes på Jorden, kunne universet have været klar til liv fra det tidspunkt, hvor de første stjerner blev født.
Uheldigvis for vores drømme om, at universet blev født med de ingredienser, der er nødvendige for liv, er fotoner fortsat for energirige til at danne selv den enkleste tunge kerne – deuterium, hvor en proton og en neutron er bundet sammen – før der er gået mere end tre minutter siden Big Bang. Når kernereaktionerne kan fortsætte, er universet kun en milliardstedel så tæt som solens centrum.
helium-3 og lithium-7 som forudsagt af Big Bang-nukleosyntesen, med observationer vist i de røde cirkler. Bemærk det vigtigste punkt her: En god videnskabelig teori (Big Bang Nukleosyntese) giver robuste, kvantitative forudsigelser af, hvad der bør eksistere og kunne måles, og målingerne (i rødt) stemmer overordentlig godt overens med teoriens forudsigelser, hvilket bekræfter den og begrænser alternativerne. Kurverne og den røde linje er for 3 neutrinoarter; flere eller færre fører til resultater, der er i alvorlig modstrid med dataene, især for deuterium og helium-3. NASA / WMAP Science Team
Det er stadig en ret god aftale, da det giver os et univers bestående af ca. 75 % brint, 25 % helium-4, ca. 0,01 % deuterium og helium-3 hver især og ca. 0,0000001 % lithium. Denne lille mængde lithium er det, der fandtes, før der blev dannet stjerner i universet, og det er en rigtig, rigtig god ting for os, for lithium er et ret vigtigt grundstof til mange anvendelser, teknologier og endda biologiske funktioner her på Jorden, herunder i mennesker.
Men når man først begynder at danne stjerner, ændrer alt sig. Ja, når man opnår stjernelignende tætheder sammen med temperaturer, der stiger over ca. 4 millioner K, begynder man at smelte brint til helium; det er vores sol i gang med lige nu. De nukleare processer, der finder sted, er bogstaveligt talt universændrende. Men de ændrer ikke bare tingene på den måde, som vi ønsker det; de ændrer også tingene i en uventet retning.
af proton-proton-kæden, som producerer helium-4 fra det oprindelige brintbrændsel. Dette er den kerneproces, der fusionerer brint til helium i Solen og alle lignende stjerner. Wikimedia Commons-bruger Sarang
Når man danner en stjerne, er det ikke kun brint, der når disse astronomisk høje temperaturer, det er alle partiklerne indeni. Desværre for lithium er det temperaturer, der er mere end tilstrækkelige til at sprænge det i stykker. Lithium har været et af de mest notorisk vanskelige grundstoffer at måle i universet, primært af denne grund: Når vi når frem til nutiden og kan udtrække et pålideligt lithiumsignal, er meget af det, som universet begyndte med, allerede blevet ødelagt.
“Vent lige lidt,” kan jeg høre dig indvende. “Universet er tydeligvis fyldt med disse tunge grundstoffer: kulstof, kvælstof, ilt, fosfor og alle de grundstoffer, der er nødvendige for liv, hele vejen op gennem det periodiske system til uran og endnu længere. Der må da være en måde at fremstille dem på, ikke sandt?”
Du har faktisk ret.
Elementer, der er tungere end brint, kan give os et stærkt vindue ind i universets fortid samt indsigt i vores egen oprindelse. Alle grundstoffer, der er fremstillet efter lithium, kan imidlertid ikke være kommet til os fra de tidligste tider i universet, men har været nødt til at blive skabt senere. Wikimedia Commons-bruger Cepheus
Når enhver tilstrækkelig massiv stjerne (herunder vores sol) brænder al brinten i sin kerne af, bliver kernefusionen langsommere og stopper. Pludselig begynder det strålingstryk, der holdt stjernens indre oppe mod gravitationskollaps, at falde, og kernen begynder at krympe.
I fysikken gælder det, at når et system af stof komprimeres hurtigt i forhold til en bestemt tidsskala, opvarmes det. I stjerners indre kan en kerne, der hovedsageligt består af helium, nå så ekstreme temperaturer, at kernefusionen af helium til kulstof kan begynde gennem en særlig kernereaktion, der er kendt som triple-alfa-processen. I stjerner som Solen er kulstof enden, og den eneste måde, hvorpå tungere grundstoffer kan dannes, er ved produktion af neutroner, hvilket kan bringe dig meget langsomt op i det periodiske system.
Når heliumfusionen er helt afsluttet, vil stjernens ydre lag blive udstødt i en planetarisk tåge, mens kernen skrumper ind og danner en hvid dværg.
og orienteringer afhængig af egenskaberne i det stjernesystem, de opstår fra, og er ansvarlige for mange af de tunge grundstoffer i universet. Overkæmpestjerner og kæmpestjerner, der går ind i den planetariske tågefase, er begge vist at opbygge mange vigtige grundstoffer i det periodiske system via s-processen. NASA, ESA og Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Men der findes stjerner, der er meget mere massive end dette, og som er i stand til at gennemgå kulstoffusion, når kernen trækker sig endnu længere ned. Stjerner, hvor dette sker, vil fusionere kulstof til ilt, ilt til neon, neon til magnesium og op og op, indtil de har skabt silicium, svovl, argon, calcium og grundstoffer hele vejen op til jern, nikkel og kobolt. Når de endelig er løbet tør for brugbart brændstof, slutter de deres liv i en kataklysmisk begivenhed kendt som en supernova.
Disse supernovaer er ansvarlige for en stor del af mange af universets tungere grundstoffer, mens andre begivenheder som f.eks. fusioner mellem hvide dværge og hvide dværge eller fusioner mellem neutronstjerner og neutronstjerner producerer resten. Mellem stjerner, der slutter deres liv i planetariske tåger eller supernovaer, samt sammensmeltninger af deres rester, kan vi redegøre for det overvældende flertal af de grundstoffer, der findes i naturen.
liv, kulminerende i en Supernova af type II, når kernen løber tør for atombrændstof. Den sidste fase af fusionen er typisk siliciumforbrænding, der kun producerer jern og jernlignende grundstoffer i kernen i et kort øjeblik, inden der opstår en supernova. Mange af supernovaresterne vil føre til dannelse af neutronstjerner, som kan producere de største forekomster af de tungeste grundstoffer af alle. Nicole Rager Fuller/NSF
Mellem følgende mekanismer:
- Big Bang,
- de brintforbrændende stjerner,
- de heliumforbrændende stjerner (komplet med emission og absorption af neutroner),
- de kulstof- og andetforbrændende stjerner (komplet med deres endestation i supernovaer af type II),
- sammenlægningerne af hvide dværge (der producerer supernovaer af type Ia),
- og sammenlægningerne af neutronstjerner (der producerer kilonovaer og størstedelen af de tungeste grundstoffer),
kan vi redegøre for praktisk talt alle de grundstoffer, vi finder i universet. Der er et par ustabile grundstoffer, der bliver sprunget over – technetium og promethium – fordi de henfalder for hurtigt. Men tre af de letteste grundstoffer kræver en ny metode, fordi ingen af disse mekanismer skaber beryllium eller bor, og den mængde lithium, vi ser, kan ikke forklares af Big Bang alene.
oprindelse, er beskrevet i detaljer i dette billede ovenfor. Mens de fleste grundstoffer primært opstår i supernovaer eller fusionerende neutronstjerner, skabes mange livsvigtige grundstoffer delvist eller endda hovedsageligt i planetariske tåger, som ikke stammer fra den første generation af stjerner. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Hydrogen fusionerer til helium, og helium er grundstof nr. 2. Der skal tre heliumkerner til at fusionere sammen til kulstof, hvor kulstof er grundstof nr. 6. Men hvad med de tre grundstoffer derimellem? Hvad med lithium, beryllium og bor?
Det viser sig, at der ikke er nogen stjernemæssige processer, der kan fremstille disse grundstoffer i tilstrækkelige mængder uden at ødelægge dem næsten lige så hurtigt, og det er der en god fysisk grund til. Hvis man tilsatte brint til helium, ville man skabe lithium-5, som er ustabilt og henfalder næsten øjeblikkeligt. Man kunne forsøge at fusionere to helium-4-kerner sammen for at lave beryllium-8, som også er ustabilt og henfalder næsten øjeblikkeligt. Faktisk er alle kerner med en masse på enten 5 eller 8 ustabile.
Du kan ikke lave disse grundstoffer fra stjernereaktioner med lette eller tunge grundstoffer; der er slet ikke mulighed for at lave dem i stjerner. Alligevel findes lithium, beryllium og bor ikke blot alle sammen, de er essentielle for livsprocesserne her på Jorden.
celle, med mange af de velkendte strukturer indeni, herunder dens primære og sekundære cellevægge. Grundstoffet bor er helt afgørende for livet, som vi kender det på Jorden. Uden bor ville plantecellevægge ikke eksistere. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Disse grundstoffer skylder i stedet deres eksistens til de mest energirige kilder af partikler i universet: pulsarer, sorte huller, supernovaer, kilonovaer og aktive galakser. Disse er universets kendte naturlige partikelacceleratorer, der spytter kosmiske partikler ud i alle retninger i hele galaksen og endda over de enorme intergalaktiske afstande.
De energirige partikler, der produceres af disse objekter og begivenheder, bevæger sig i alle retninger og vil til sidst løbe ind i en anden stofpartikel. Hvis denne partikel, som den rammer, viser sig at være en kulstofkerne (eller en tungere kerne), kan de høje energier fra kollisionen forårsage en anden kernereaktion, der sprænger den større kerne fra hinanden og skaber en kaskade af partikler med lavere masse. Ligesom atomfission kan splitte et atom i lettere grundstoffer, kan en kosmisk stråles kollision med en tung kerne på samme måde sprænge disse tunge, komplekse partikler fra hinanden.
Det supermassive sorte hul i centrum af akkretionsskiven sender en smal, højenergirig stråle af stof ud i rummet, vinkelret på det sorte hul’s akkretionsskive. Begivenheder og objekter som dette kan skabe enormt accelererede kosmiske partikler, som kan smadre ind i tunge atomkerner og sprænge dem fra hinanden i mindre bestanddele. DESY, Science Communication Lab
Når man smadrer en højenergipartikel ind i en massiv kerne, splittes den store kerne i en række forskellige komponentpartikler. Denne proces, kendt som spallation, er den måde, hvorpå størstedelen af lithium, beryllium og bor blev dannet i vores univers. Disse er de eneste grundstoffer i universet, der primært er dannet ved denne proces og ikke ved stjerner, stjernefterladenskaber eller selve Big Bang.
Når man ser på, hvor rigelige alle de grundstoffer, vi kender, er, er der en overfladisk set overraskende mangel på de 3., 4. og 5. letteste grundstoffer af dem alle. Der er en enorm kløft mellem helium og kulstof, og nu ved vi endelig hvorfor. Den eneste måde at frembringe disse kosmiske sjældenheder på er ved en tilfældig kollision af partikler, der strejfer gennem universet, og det er grunden til, at der kun findes et par milliardedele af hvert af disse grundstoffer i forhold til kulstof, ilt og helium. Kosmisk strålespallation er den eneste måde at fremstille dem på, når vi er kommet ind i stjernernes tidsalder, og milliarder af år senere er selv disse sporstoffer afgørende for livets bog.
Følg mig på Twitter. Se mit websted eller nogle af mine andre værker her.