atommag, az atommagot szét tudja hasítani egy spallációnak nevezett folyamat során. Ez az a túlnyomó mód, ahogyan az Univerzum, amint eléri a csillagok korát, új lítiumot, berilliumot és bórt termel. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Ha fognánk a periódusos rendszer minden elemét, és aszerint rendeznénk őket, hogy milyen gyakorisággal fordulnak elő az Univerzumban, akkor egy kicsit meglepő dolgot találnánk. A leggyakoribb elem a hidrogén, tömegét tekintve az Univerzum közel háromnegyedét alkotja. Körülbelül egynegyedénél van a hélium, amely főként a forró ősrobbanás korai szakaszában keletkezett, de a legtöbb csillagban, köztük a mi Napunkban is zajló magfúzió során is keletkezik.
A harmadik helyen az oxigén, a negyedik helyen a szén áll, amelyet szorosan követ a neon, a nitrogén, a vas, a magnézium és a szilícium, amelyek mindegyike a forrón égő, masszív és óriás csillagok belsejében keletkezik. Általában a nehezebb elemek ritkák, a könnyű elemek pedig bőségesek, de van három nagy kivétel: a lítium, a berillium és a bór. Mégis ez a három elem a 3., 4. és 5. legkönnyebb az összes elem közül. Íme a kozmikus történet, hogy miért olyan ritkák.
ma a Naprendszerünkre mérve. Annak ellenére, hogy a 3., 4. és 5. legkönnyebb elemek, a lítium, a berillium és a bór gyakorisága messze elmarad a periódusos rendszer összes többi közeli elemétől. MHz`as/Wikimedia Commons (kép); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (adatok)
Közvetlenül a forró ősrobbanás után az első atommagok kvarkok, leptonok, fotonok, gluonok és antirészecskék ultraenergikus tengeréből alakultak ki. Ahogy az Univerzum lehűlt, az antirészecskék megsemmisültek, a fotonok már nem voltak elég energikusak ahhoz, hogy szétrobbantsák a kötött atommagokat, és így a korai Univerzum protonjai és neutronjai elkezdtek összeolvadni. Ha létre tudtuk volna hozni a Föld bolygón található nehéz elemeket, az Univerzum már az első csillagok születésének idején készen állt volna az életre.
Az élethez szükséges összetevőkkel született Univerzumról szőtt álmaink sajnos túl energikusak maradnak a fotonok ahhoz, hogy még a legegyszerűbb nehéz atommagot – a deutériumot, amelyben egy proton és egy neutron kapcsolódik össze – is kialakítsák, amíg az ősrobbanás óta több mint három perc nem telt el. Mire a magreakciók folytatódhatnak, az Univerzum már csak egy milliárdszor olyan sűrű, mint a Nap középpontja.
hélium-3 és lítium-7 az ősrobbanás nukleoszintézisének előrejelzése szerint, a megfigyelések a piros körökben láthatóak. Figyeljük meg itt a kulcspontot: egy jó tudományos elmélet (az ősrobbanás nukleoszintézis) megbízható, kvantitatív előrejelzéseket tesz arra vonatkozóan, hogy minek kellene léteznie és mérhetőnek lennie, és a mérések (pirossal) rendkívül jól illeszkednek az elmélet előrejelzéseihez, igazolva azt és korlátozva az alternatívákat. A görbék és a piros vonal 3 neutrínófajra vonatkoznak; több vagy kevesebb olyan eredményekhez vezet, amelyek súlyosan ellentmondanak az adatoknak, különösen a deutérium és a hélium-3 esetében. NASA / WMAP Science Team
Ez még mindig elég jó eredmény, mivel az Univerzumot körülbelül 75% hidrogénből, 25% hélium-4-ből, egyenként körülbelül 0,01% deutériumból és hélium-3-ból, valamint körülbelül 0,0000001% lítiumból álló Univerzumot kapunk. Ez az aprócska lítiummennyiség az, ami azelőtt létezett, hogy az Univerzumban csillagok keletkeztek volna, és ez egy nagyon-nagyon jó dolog számunkra, mert a lítium nagyon fontos elem számos alkalmazás, technológia és még biológiai funkció szempontjából is itt a Földön, beleértve az embereket is.
Amikor azonban elkezdenek csillagokat képezni, minden megváltozik. Igen, amint elérjük a csillagszerű sűrűségeket, valamint a hőmérsékletet, amely körülbelül 4 millió K fölé emelkedik, elkezdjük a hidrogént héliummá fuzionálni; a mi Napunk most is ezzel van elfoglalva. A bekövetkező nukleáris folyamatok szó szerint megváltoztatják az Univerzumot. Csakhogy nem csak úgy változtatják meg a dolgokat, ahogy mi szeretnénk, hanem váratlan irányban is.
a proton-proton lánc, amely a kezdeti hidrogén üzemanyagból hélium-4-et állít elő. Ez az a nukleáris folyamat, amely a hidrogént héliummá olvasztja a Napban és minden hozzá hasonló csillagban. Wikimedia Commons felhasználó Sarang
A csillag kialakulásakor nem csak a hidrogén éri el ezeket a csillagászatilag magas hőmérsékleteket, hanem a benne lévő összes részecske. Sajnos a lítium számára ezek a hőmérsékletek bőven elegendőek ahhoz, hogy szétrobbanjon. A lítium az egyik leghírhedtebben nehezen mérhető elem az Univerzumban, elsősorban emiatt: mire eljutunk napjainkba, és megbízhatóan ki tudunk nyerni egy lítiumjelet, az Univerzum kezdeteinek nagy része már megsemmisült.
“Várjunk csak”, hallom, hogy ellenkezel. “Az Univerzum nyilvánvalóan tele van ezekkel a nehéz elemekkel: szén, nitrogén, oxigén, foszfor és az élethez szükséges összes elem, egészen a periódusos rendszerben az uránig és még azon is túl. Biztosan van rá mód, hogy előállítsuk őket, nem?”
Valóban, igazad van.
A hidrogénnél nehezebb elemek hatalmas ablakot nyithatnak számunkra az Univerzum múltjába, és betekintést nyújthatnak saját eredetünkbe is. Azonban minden lítiumon túli elem nem jöhetett hozzánk az Univerzum legkorábbi korszakából, hanem később kellett létrejönnie. Wikimedia Commons felhasználó Cepheus
Amikor minden elég nagy tömegű csillag (beleértve a mi Napunkat is) elégeti az összes hidrogént a magjában, a magfúzió lelassul és leáll. Hirtelen csökkenni kezd a sugárnyomás, amely a csillag belsejét a gravitációs összeomlás ellen tartotta, és a mag zsugorodni kezd.
A fizikában, amikor az anyag bármely rendszere egy bizonyos időskálához képest gyorsan összenyomódik, felmelegszik. A csillagok belsejében a többnyire héliumból álló mag olyan extrém hőmérsékletet érhet el, hogy a hélium szénné történő magfúziója megkezdődhet, egy különleges magreakcióval, amelyet hármas-alfa-folyamatnak neveznek. A Naphoz hasonló csillagokban a szén a végállomás, és a nehezebb elemek csak neutronok keletkezésével képződhetnek, ami nagyon lassan tud feljebb lépni a periódusos rendszerben.
Amikor a héliumfúzió teljesen lezajlott, a csillag külső rétegei egy planetáris ködben távoznak, míg a mag fehér törpévé zsugorodik.
és irányultsága a csillagrendszer tulajdonságaitól függően, amelyből keletkeznek, és az Univerzumban található nehéz elemek nagy részéért felelősek. A szuperóriás csillagokról és a planetáris köd fázisába lépő óriáscsillagokról egyaránt kimutatták, hogy a periódusos rendszer számos fontos elemét az s-folyamat révén építik fel. NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
De vannak ennél sokkal nagyobb tömegű csillagok is, amelyek képesek szénfúzióra, mivel a mag még tovább zsugorodik. Azokban a csillagokban, ahol ez megtörténik, a szén oxigénné, az oxigén neonná, a neon magnéziummá fuzionál, és így tovább és tovább, míg végül szilícium, kén, argon, kalcium, és egészen a vasig, nikkelig és kobaltig terjedő elemek jönnek létre. Amikor végül kifogynak a hasznos üzemanyagból, egy szupernóva néven ismert kataklizmikus eseményben fejezik be életüket.
Ezek a szupernóvák felelősek az Univerzum sok nehezebb elemének nagy részéért, míg más események, mint a fehér törpe-fehér törpe összeolvadások vagy a neutroncsillag-neutroncsillag összeolvadások a maradékot termelik. A bolygóködökben vagy szupernóvákban életüket befejező csillagok, valamint ezek maradványainak összeolvadásai között a természetben található elemek túlnyomó többségével számolhatunk.
élet, amely egy II. típusú szupernóvában csúcsosodik ki, amikor a magban elfogy a nukleáris üzemanyag. A fúzió utolsó fázisa jellemzően szilícium-égés, amely a magban csak rövid ideig termel vasat és vasszerű elemeket, mielőtt szupernóva következik. A szupernóva-maradványok közül sokan neutroncsillagok kialakulásához vezetnek, amelyek a legnehezebb elemek legnagyobb bőségét képesek előállítani. Nicole Rager Fuller/NSF
A következő mechanizmusok között:
- az ősrobbanás,
- a hidrogénégető csillagok,
- a héliumégető csillagok (kiegészülve a neutronok kibocsátásával és elnyelésével),
- a szén-és-túlégető csillagok (kiegészülve a II. típusú szupernóvákban való megszűnésükkel),
- a fehér törpék összeolvadásait (amelyek Ia típusú szupernóvákat hoznak létre),
- és a neutroncsillagok összeolvadásait (amelyek kilonóvákat és a legnehezebb elemek többségét hozzák létre),
gyakorlatilag az Univerzumban található elemek mindegyikét meg tudjuk magyarázni. Van néhány instabil elem, amit kihagyunk – a technécium és a promécium -, mert túl gyorsan bomlanak el. De a legkönnyebb elemek közül háromnak új módszerre van szüksége, mert egyik mechanizmus sem hoz létre berilliumot vagy bórt, és a lítium általunk látott mennyisége nem magyarázható pusztán az ősrobbanással.
keletkezik, a fenti képen részletesen látható. Míg a legtöbb elem elsősorban szupernóvákban vagy összeolvadó neutroncsillagokban keletkezik, sok létfontosságú elem részben vagy akár nagyrészt planetáris ködökben jön létre, amelyek nem a csillagok első generációjából származnak. NASA/CXC/SAO/K. Divona
A hidrogén héliummá fuzionál, és a hélium a 2. elem. Három héliummag kell ahhoz, hogy szénné olvadjon össze, ahol a szén a 6. elem. De mi van azzal a három elemmel a kettő között? Mi a helyzet a lítiummal, a berilliummal és a bórral?
Kiderült, hogy nincsenek olyan csillagászati folyamatok, amelyek ezeket az elemeket elegendő mennyiségben előállítanák anélkül, hogy majdnem ugyanolyan gyorsan elpusztítanák őket, és ennek jó fizikai oka van. Ha hidrogént adnánk a héliumhoz, akkor lítium-5 keletkezne, ami instabil és szinte azonnal elbomlik. Megpróbálhatnánk két hélium-4 atommagot összeolvasztani, hogy berillium-8-at hozzunk létre, ami szintén instabil, és szinte azonnal elbomlik. Valójában minden 5-ös vagy 8-as tömegű atommag instabil.
Nem lehet ezeket az elemeket könnyű vagy nehéz elemeket érintő csillagreakciókból előállítani; a csillagokban egyáltalán nem lehet őket előállítani. Mégis a lítium, a berillium és a bór nemcsak, hogy mind léteznek, de nélkülözhetetlenek az életfolyamatokhoz itt a Földön.
sejt, benne sok ismerős szerkezettel, beleértve az elsődleges és másodlagos sejtfalakat. A bór elem teljesen nélkülözhetetlen az általunk ismert földi élethez. Bór nélkül a növényi sejtfalak nem léteznének. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Ezek az elemek ehelyett az Univerzum legenergikusabb részecskeforrásainak köszönhetik létüket: a pulzároknak, fekete lyukaknak, szupernóváknak, kilonóváknak és aktív galaxisoknak. Ezek az Univerzum ismert természetes részecskegyorsítói, amelyek kozmikus részecskéket okádnak ki minden irányba az egész galaxisban, sőt még a hatalmas intergalaktikus távolságokon keresztül is.
Az ezen objektumok és események által termelt energikus részecskék minden irányba mozognak, és végül egy másik anyagrészecskébe ütköznek. Ha az a részecske, amibe beleütközik, szén (vagy nehezebb) atommagnak bizonyul, az ütközés nagy energiái újabb magreakciót idézhetnek elő, amely szétrobbantja a nagyobb atommagot, kisebb tömegű részecskék kaszkádját hozva létre. Ahogy az atommaghasadás képes egy atomot könnyebb elemekre bontani, úgy a kozmikus sugárzás ütközése egy nehéz atommaggal hasonlóan szétrobbanthatja ezeket a nehéz, összetett részecskéket.
Az akkréciós korong közepén lévő szupermasszív fekete lyuk egy keskeny, nagy energiájú anyagsugarat küld az űrbe, merőlegesen a fekete lyuk akkréciós korongjára. Az ehhez hasonló események és objektumok óriási mértékben felgyorsult kozmikus részecskéket hozhatnak létre, amelyek nehéz atommagokba csapódhatnak, és azokat kisebb alkotóelemekre robbanthatják szét. DESY, Science Communication Lab
Amikor egy nagyenergiájú részecske egy masszív atommagba csapódik, a nagy atommag különböző alkotórészecskékre esik szét. Ez a spallációnak nevezett folyamat az, ahogyan a lítium, a berillium és a bór nagy része keletkezett Univerzumunkban. Ezek az egyetlen olyan elemek az Univerzumban, amelyek elsősorban ebben a folyamatban keletkeztek, nem pedig csillagok, csillagmaradványok vagy maga az ősrobbanás során.
Ha megnézzük, hogy az összes általunk ismert elem milyen nagy mennyiségben fordul elő, felületesen meglepően kevés a 3., 4. és 5. legkönnyebb elem. A hélium és a szén között óriási szakadék tátong, és végre tudjuk, miért. Ezek a kozmikus ritkaságok csak az Univerzumban száguldó részecskék véletlenszerű ütközése révén jöhetnek létre, és ezért van az, hogy a szénhez, az oxigénhez és a héliumhoz képest csak néhány milliárdod részecske van ezeknek az elemeknek. A kozmikus sugárzás spallációja az egyetlen módja annak, hogy előállítsuk őket, ha már beléptünk a csillagok korába, és évmilliárdokkal később még ezek a nyomelemek is nélkülözhetetlenek az élet könyvéhez.
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.