Atomkerne können in einem Prozess, der als Spallation bekannt ist, aufgespalten werden. Dies ist die überwältigende Art und Weise, wie das Universum, sobald es das Alter der Sterne erreicht hat, neues Lithium, Beryllium und Bor produziert. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Wenn man alle Elemente des Periodensystems nach ihrer Häufigkeit im Universum ordnen würde, käme man zu einem etwas überraschenden Ergebnis. Das häufigste Element ist Wasserstoff, der fast drei Viertel der Masse des Universums ausmacht. Etwa ein Viertel ist Helium, das vor allem in den frühen Stadien des heißen Urknalls entstand, aber auch durch die Kernfusion in den meisten Sternen, einschließlich unserer Sonne, erzeugt wird.
Danach folgt Sauerstoff auf Platz 3, Kohlenstoff auf Platz 4, dicht gefolgt von Neon, Stickstoff, Eisen, Magnesium und Silizium, die alle im Inneren von heiß brennenden, massereichen und riesigen Sternen entstehen. Im Allgemeinen sind die schwereren Elemente selten und die leichten Elemente reichlich vorhanden, aber es gibt drei große Ausnahmen: Lithium, Beryllium und Bor. Dabei sind diese drei Elemente die dritt-, viert- und fünftleichtesten von allen. Hier ist die kosmische Geschichte, warum sie so selten sind.
heute, gemessen für unser Sonnensystem. Obwohl sie die dritt-, viert- und fünftleichtesten Elemente überhaupt sind, liegen die Häufigkeiten von Lithium, Beryllium und Bor weit unter denen aller anderen benachbarten Elemente im Periodensystem. MHz`as/Wikimedia Commons (Bild); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (Daten)
In der unmittelbaren Folge des heißen Urknalls bildeten sich die ersten Atomkerne aus einem ultraenergetischen Meer von Quarks, Leptonen, Photonen, Gluonen und Antiteilchen. Als das Universum abkühlte, lösten sich die Antiteilchen auf, die Photonen waren nicht mehr energiereich genug, um gebundene Kerne auseinander zu sprengen, und so begannen die Protonen und Neutronen des frühen Universums miteinander zu verschmelzen. Wenn wir die schweren Elemente, die wir auf der Erde finden, erzeugen könnten, wäre das Universum schon bei der Geburt der ersten Sterne bereit für das Leben gewesen.
Leider sind die Photonen zu energiereich, um auch nur den einfachsten schweren Kern – Deuterium mit einem Proton und einem Neutron – zu bilden, bis mehr als drei Minuten seit dem Urknall vergangen sind. Zu dem Zeitpunkt, an dem Kernreaktionen stattfinden können, ist das Universum nur ein Milliardstel so dicht wie das Zentrum der Sonne.
Helium-3 und Lithium-7, wie von der Urknall-Kernsynthese vorhergesagt, mit Beobachtungen, die in den roten Kreisen dargestellt sind. Beachten Sie hier den entscheidenden Punkt: Eine gute wissenschaftliche Theorie (Urknall-Nukleosynthese) macht robuste, quantitative Vorhersagen für das, was existieren und messbar sein sollte, und die Messungen (in rot) stimmen außerordentlich gut mit den Vorhersagen der Theorie überein, was sie bestätigt und die Alternativen einschränkt. Die Kurven und die rote Linie gelten für drei Neutrinospezies; mehr oder weniger Neutrinos führen zu Ergebnissen, die in starkem Widerspruch zu den Daten stehen, insbesondere für Deuterium und Helium-3. NASA / WMAP-Wissenschaftsteam
Das ist immer noch ein ziemlich gutes Ergebnis, denn es ergibt ein Universum, das zu etwa 75 % aus Wasserstoff, zu 25 % aus Helium-4, zu je etwa 0,01 % aus Deuterium und Helium-3 und zu etwa 0,0000001 % aus Lithium besteht. Diese winzige Menge an Lithium war bereits vorhanden, bevor sich Sterne im Universum bildeten, und das ist eine wirklich gute Sache für uns, denn Lithium ist ein ziemlich wichtiges Element für viele Anwendungen, Technologien und sogar biologische Funktionen hier auf der Erde, auch für den Menschen.
Aber sobald man beginnt, Sterne zu bilden, ändert sich alles. Ja, sobald man sternähnliche Dichten und Temperaturen von über 4 Millionen K erreicht, beginnt man, Wasserstoff zu Helium zu fusionieren; unsere Sonne ist gerade damit beschäftigt. Die Kernprozesse, die dabei ablaufen, verändern buchstäblich das Universum. Nur verändern sie die Dinge nicht nur so, wie wir es uns wünschen, sondern auch in eine unerwartete Richtung.
der Proton-Proton-Kette, die Helium-4 aus dem ursprünglichen Wasserstoff-Brennstoff erzeugt. Dies ist der Kernprozess, der in der Sonne und allen anderen Sternen Wasserstoff zu Helium fusioniert. Wikimedia Commons Benutzer Sarang
Bei der Bildung eines Sterns erreicht nicht nur der Wasserstoff diese astronomisch hohen Temperaturen, sondern alle Teilchen im Inneren. Zum Pech für Lithium sind das Temperaturen, die mehr als ausreichen, um es zu zerstören. Lithium ist vor allem aus diesem Grund eines der am schwierigsten zu messenden Elemente im Universum: Wenn wir in der heutigen Zeit ankommen und zuverlässig ein Lithiumsignal extrahieren können, ist ein Großteil dessen, womit das Universum begann, bereits zerstört.
„Moment mal“, höre ich Sie einwenden. „Das Universum ist eindeutig voll von diesen schweren Elementen: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und alle Elemente, die für das Leben notwendig sind, vom Periodensystem bis zum Uran und sogar darüber hinaus. Es muss doch sicher einen Weg geben, sie herzustellen, oder?“
In der Tat, Sie haben Recht.
Elemente, die schwerer sind als Wasserstoff, können uns einen tiefen Einblick in die Vergangenheit des Universums und auch in unsere eigene Herkunft geben. Alle Elemente, die nach Lithium entstanden sind, können jedoch nicht aus den frühesten Zeiten des Universums stammen, sondern mussten erst später geschaffen werden. Wikimedia Commons Benutzer Cepheus
Wenn jeder massereiche Stern (einschließlich unserer Sonne) den gesamten Wasserstoff in seinem Kern verbrennt, verlangsamt sich die Kernfusion und hört auf. Plötzlich beginnt der Strahlungsdruck, der das Innere des Sterns vor dem Gravitationskollaps bewahrt hat, zu sinken, und der Kern beginnt zu schrumpfen.
In der Physik heizt sich jedes Materiesystem auf, wenn es sich relativ zu einer bestimmten Zeitskala schnell komprimiert. Im Inneren von Sternen kann ein Kern, der hauptsächlich aus Helium besteht, so extreme Temperaturen erreichen, dass die Kernfusion von Helium zu Kohlenstoff durch eine spezielle Kernreaktion, den so genannten Triple-Alpha-Prozess, beginnen kann. In Sternen wie der Sonne ist Kohlenstoff das Ende, und die einzige Möglichkeit, schwerere Elemente zu bilden, ist die Erzeugung von Neutronen, die einen im Periodensystem nur sehr langsam nach oben befördern können.
Wenn die Heliumfusion vollständig abgelaufen ist, werden die äußeren Schichten des Sterns in einem planetarischen Nebel ausgestoßen, während der Kern zu einem Weißen Zwerg schrumpft.
und Ausrichtungen je nach den Eigenschaften des Sternsystems, aus dem sie entstehen, und sind für viele der schweren Elemente im Universum verantwortlich. Sowohl bei Überriesensternen als auch bei Riesensternen, die in die Phase des planetarischen Nebels eintreten, wird gezeigt, dass sie viele wichtige Elemente des Periodensystems über den s-Prozess aufbauen. NASA, ESA und The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Es gibt aber auch Sterne, die viel massereicher sind und in der Lage sind, Kohlenstoff zu fusionieren, während sich der Kern noch weiter zusammenzieht. Sterne, bei denen dies geschieht, fusionieren Kohlenstoff zu Sauerstoff, Sauerstoff zu Neon, Neon zu Magnesium und so weiter, bis sie Silizium, Schwefel, Argon, Kalzium und Elemente bis hin zu Eisen, Nickel und Kobalt erzeugt haben. Wenn ihnen schließlich der nützliche Brennstoff ausgeht, beenden sie ihr Leben in einem kataklysmischen Ereignis, das als Supernova bekannt ist.
Diese Supernovae sind für einen großen Teil der schwereren Elemente des Universums verantwortlich, während andere Ereignisse wie Verschmelzungen von Weißen Zwergen mit Weißen Zwergen oder von Neutronensternen mit Neutronensternen den Rest erzeugen. Aus Sternen, die ihr Leben in planetarischen Nebeln oder Supernovae beenden, sowie aus den Verschmelzungen ihrer Überreste können wir die überwältigende Mehrheit der in der Natur vorkommenden Elemente erklären.
Leben, das in einer Supernova vom Typ II gipfelt, wenn dem Kern der Kernbrennstoff ausgeht. Das letzte Stadium der Fusion ist typischerweise die Siliziumverbrennung, bei der Eisen und eisenähnliche Elemente im Kern nur für kurze Zeit entstehen, bevor es zu einer Supernova kommt. Viele der Supernova-Überreste werden zur Bildung von Neutronensternen führen, die die größten Mengen der schwersten Elemente von allen produzieren können. Nicole Rager Fuller/NSF
Zwischen den folgenden Mechanismen:
- der Urknall,
- die wasserstoffverbrennenden Sterne,
- die heliumverbrennenden Sterne (mit der Emission und Absorption von Neutronen),
- die kohlenstoffverbrennenden Sterne (mit ihrem Lebensende in Supernovae vom Typ II),
- die Verschmelzungen von Weißen Zwergen (die Supernovae vom Typ Ia erzeugen),
- und die Verschmelzungen von Neutronensternen (die Kilonovae und die meisten der schwersten Elemente erzeugen),
wir können praktisch jedes der Elemente erklären, die wir im Universum finden. Ein paar instabile Elemente – Technetium und Promethium – werden übersprungen, weil sie zu schnell zerfallen. Für drei der leichtesten Elemente ist jedoch eine neue Methode erforderlich, denn keiner dieser Mechanismen erzeugt Beryllium oder Bor, und die Menge an Lithium, die wir sehen, kann nicht allein durch den Urknall erklärt werden.
entstehen, sind in dieser Abbildung oben detailliert dargestellt. Während die meisten Elemente in erster Linie in Supernovae oder verschmelzenden Neutronensternen entstehen, werden viele lebenswichtige Elemente teilweise oder sogar größtenteils in planetarischen Nebeln gebildet, die nicht aus der ersten Generation von Sternen hervorgegangen sind. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Wasserstoff verschmilzt zu Helium, und Helium ist das Element Nr. 2. Es braucht drei Heliumkerne, um zu Kohlenstoff zu fusionieren, und Kohlenstoff ist das Element Nr. 6. Aber was ist mit den drei Elementen dazwischen? Was ist mit Lithium, Beryllium und Bor?
Wie sich herausstellt, gibt es keine stellaren Prozesse, die diese Elemente in ausreichenden Mengen erzeugen, ohne sie fast ebenso schnell zu zerstören, und dafür gibt es einen guten physikalischen Grund. Würde man Wasserstoff zu Helium hinzufügen, entstünde Lithium-5, das instabil ist und fast sofort zerfällt. Man könnte versuchen, zwei Helium-4-Kerne miteinander zu verschmelzen, um Beryllium-8 zu erzeugen, das ebenfalls instabil ist und fast sofort zerfällt. In der Tat sind alle Kerne mit einer Masse von 5 oder 8 instabil.
Man kann diese Elemente nicht durch stellare Reaktionen mit leichten oder schweren Elementen herstellen; es gibt überhaupt keine Möglichkeit, sie in Sternen zu erzeugen. Dennoch existieren Lithium, Beryllium und Bor nicht nur, sie sind für die Lebensprozesse hier auf der Erde unerlässlich.
Zelle, mit vielen der bekannten Strukturen in ihrem Inneren, einschließlich ihrer primären und sekundären Zellwände. Das Element Bor ist für das Leben, wie wir es auf der Erde kennen, absolut unerlässlich. Ohne Bor würden die Zellwände der Pflanzen nicht existieren. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Diese Elemente verdanken ihre Existenz hingegen den energiereichsten Teilchenquellen im Universum: Pulsare, Schwarze Löcher, Supernovae, Kilonovae und aktive Galaxien. Dies sind die bekannten natürlichen Teilchenbeschleuniger des Universums, die kosmische Teilchen in alle Richtungen der Galaxie und sogar über die riesigen intergalaktischen Entfernungen hinweg ausspucken.
Die von diesen Objekten und Ereignissen erzeugten energiereichen Teilchen bewegen sich in alle Richtungen und werden schließlich auf ein anderes Materieteilchen treffen. Wenn sich dieses Teilchen, auf das es trifft, als Kohlenstoffkern (oder schwerer) herausstellt, können die hohen Energien der Kollision eine weitere Kernreaktion auslösen, die den größeren Kern auseinandersprengt und eine Kaskade von Teilchen mit geringerer Masse erzeugt. So wie die Kernspaltung ein Atom in leichtere Elemente aufspalten kann, kann die Kollision einer kosmischen Strahlung mit einem schweren Kern diese schweren, komplexen Teilchen in ähnlicher Weise auseinandersprengen.
Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Akkretionsscheibe sendet einen schmalen, hochenergetischen Materiestrahl ins All, der senkrecht zur Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs steht. Ereignisse und Objekte wie dieses können enorm beschleunigte kosmische Teilchen erzeugen, die auf schwere Atomkerne treffen und diese in kleinere Bestandteile zerlegen können. DESY, Science Communication Lab
Wenn ein hochenergetisches Teilchen auf einen massiven Atomkern trifft, spaltet sich der große Kern in eine Vielzahl von Teilchen auf. Dieser als Spallation bezeichnete Prozess ist die Art und Weise, wie der Großteil von Lithium, Beryllium und Bor in unserem Universum entstanden ist. Dies sind die einzigen Elemente im Universum, die in erster Linie durch diesen Prozess und nicht durch Sterne, Sternüberreste oder den Urknall selbst entstanden sind.
Wenn man sich die Häufigkeit aller uns bekannten Elemente ansieht, ist der Mangel an den dritt-, viert- und fünftleichtesten Elementen auf den ersten Blick überraschend. Zwischen Helium und Kohlenstoff klafft eine enorme Lücke, und endlich wissen wir auch, warum. Die einzige Möglichkeit, diese kosmischen Raritäten zu erzeugen, ist eine zufällige Kollision von Teilchen, die durch das Universum rasen, und das ist der Grund, warum es nur ein paar Milliardstel dieser Elemente im Vergleich zu Kohlenstoff, Sauerstoff und Helium gibt. Die Spallation mit kosmischer Strahlung ist die einzige Möglichkeit, diese Elemente zu erzeugen, sobald wir in das Zeitalter der Sterne eingetreten sind, und Milliarden von Jahren später sind selbst diese Spurenelemente für das Buch des Lebens unverzichtbar.
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