atoomkern, kan het die kern opsplitsen in een proces dat bekend staat als spallatie. Dit is de overweldigende manier waarop het heelal, zodra het de leeftijd van sterren heeft bereikt, nieuw lithium, beryllium en borium produceert. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Als je elk element uit het periodiek systeem zou rangschikken naar de overvloed ervan in het heelal, dan zou je iets verrassends ontdekken. Het meest voorkomende element is waterstof, dat bijna driekwart van het heelal in massa uitmaakt. Op ongeveer een kwart staat helium, dat vooral in de vroege stadia van de hete oerknal wordt geproduceerd, maar ook door de kernfusie in de meeste sterren, waaronder onze zon.
Daarachter staat zuurstof op nummer 3, koolstof op nummer 4, op de voet gevolgd door neon, stikstof, ijzer, magnesium en silicium, die allemaal worden geproduceerd in het binnenste van heetbrandende, massieve en reuzensterren. In het algemeen zijn zwaardere elementen zeldzaam en lichte elementen overvloedig, maar er zijn drie grote uitzonderingen: lithium, beryllium en borium. Toch zijn deze drie elementen de 3de, 4de en 5de lichtste van allemaal. Hier is het kosmische verhaal waarom ze zo zeldzaam zijn.
vandaag, zoals gemeten voor ons zonnestelsel. Hoewel lithium, beryllium en boor de 3de, 4de en 5de lichtste elementen zijn, liggen ze ver onder alle andere nabije elementen in het periodiek systeem. MHz`as/Wikimedia Commons (afbeelding); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (gegevens)
In de onmiddellijke nasleep van de hete oerknal vormden de eerste atoomkernen zich uit een ultra-energetische zee van quarks, leptonen, fotonen, gluonen, en antideeltjes. Toen het heelal afkoelde, werden de antideeltjes vernietigd, de fotonen waren niet meer energiek genoeg om gebonden kernen uit elkaar te knallen, en zo begonnen de protonen en neutronen van het vroege heelal samen te smelten. Als we de zware elementen die we op de planeet Aarde aantreffen hadden kunnen maken, dan zou het heelal klaar zijn geweest voor leven vanaf het moment dat de eerste sterren werden geboren.
Helaas voor onze dromen over het heelal dat wordt geboren met de ingrediënten die nodig zijn voor leven, blijven fotonen te energetisch om zelfs maar de eenvoudigste zware kern te vormen – deuterium, met één proton en één neutron aan elkaar gebonden – totdat er meer dan drie minuten zijn verstreken sinds de oerknal. Tegen de tijd dat kernreacties doorgang kunnen vinden, is het heelal nog maar een miljardste zo dicht als het centrum van de zon.
helium-3 en lithium-7 zoals voorspeld door de Big Bang Nucleosynthese, met waarnemingen weergegeven in de rode cirkels. Let op het belangrijkste punt hier: een goede wetenschappelijke theorie (Big Bang Nucleosynthese) doet robuuste, kwantitatieve voorspellingen voor wat zou moeten bestaan en meetbaar zou moeten zijn, en de metingen (in rood) komen buitengewoon goed overeen met de voorspellingen van de theorie, waardoor de theorie wordt gevalideerd en de alternatieven aan banden worden gelegd. De curven en de rode lijn zijn voor 3 neutrino-soorten; meer of minder leiden tot resultaten die ernstig in strijd zijn met de gegevens, met name voor deuterium en helium-3. NASA / WMAP Science Team
Dit is nog steeds een vrij goede deal, omdat het ons een heelal geeft dat bestaat uit ongeveer 75% waterstof, 25% helium-4, ongeveer 0,01% deuterium en helium-3 elk, en ongeveer 0,0000001% lithium. Die kleine hoeveelheid lithium bestond al voordat er sterren in het heelal werden gevormd, en dat is heel erg goed voor ons, want lithium is een behoorlijk belangrijk element voor veel toepassingen, technologieën en zelfs biologische functies hier op aarde, ook in de mens.
Maar als je eenmaal sterren begint te vormen, verandert alles. Ja, als je eenmaal stervormige dichtheden en temperaturen van meer dan 4 miljoen K hebt bereikt, begin je waterstof in helium te fuseren; onze zon is daar nu mee bezig. De nucleaire processen die plaatsvinden zijn letterlijk heelal-veranderend. Alleen, ze veranderen de dingen niet alleen op de manier die wij zouden willen; ze veranderen de dingen ook in een onverwachte richting.
van de proton-proton keten, die helium-4 produceert uit initiële waterstofbrandstof. Dit is het nucleaire proces dat waterstof tot helium doet samensmelten in de zon en alle sterren zoals de zon. Wikimedia Commons gebruiker Sarang
Wanneer je een ster vormt, is het niet alleen waterstof dat die astronomisch hoge temperaturen bereikt, het zijn alle deeltjes binnenin. Helaas voor lithium zijn dit temperaturen die meer dan voldoende zijn om het uit elkaar te blazen. Lithium is een van de meest beruchte moeilijkst te meten elementen in het heelal, vooral om deze reden: tegen de tijd dat we in de huidige tijd aankomen en betrouwbaar een lithiumsignaal kunnen extraheren, is veel van waar het heelal mee begon al vernietigd.
“Wacht even,” hoor ik je tegenwerpen. “Het heelal zit duidelijk vol met deze zware elementen: koolstof, stikstof, zuurstof, fosfor, en alle elementen die nodig zijn voor leven, helemaal boven in het periodiek systeem tot uranium en zelfs daarboven. Er moet toch een manier zijn om ze te maken?”
Inderdaad, u heeft gelijk.
elementen zwaarder dan waterstof kunnen ons een krachtig venster geven op het verleden van het heelal, maar ook inzicht in onze eigen oorsprong. Elk element dat voorbij lithium is gemaakt, kan echter niet vanaf de vroegste tijden in het heelal tot ons zijn gekomen, maar moest later worden gemaakt. Wikimedia Commons gebruiker Cepheus
Wanneer elke ster met voldoende massa (inclusief onze zon) alle waterstof in zijn kern heeft opgebrand, vertraagt de kernfusie en stopt. Plotseling begint de stralingsdruk die het inwendige van de ster tegen zwaartekrachtinstorting ophield, af te nemen, en de kern begint te krimpen.
In de natuurkunde wordt een systeem van materie warm wanneer het snel wordt samengedrukt ten opzichte van een bepaalde tijdschaal. In het inwendige van sterren kan een kern die voor het grootste deel uit helium bestaat, zulke extreme temperaturen bereiken dat de kernfusie van helium tot koolstof kan beginnen, via een speciale kernreactie die bekend staat als het drie-alpha-proces. In sterren als de zon is koolstof het eindpunt, en de enige manier waarop zwaardere elementen worden gevormd is door de productie van neutronen, die je heel langzaam omhoog kunnen stuwen in het periodiek systeem.
Als de heliumfusie volledig is verlopen, zullen de buitenste lagen van de ster worden uitgestoten in een planetaire nevel, terwijl de kern krimpt tot een witte dwerg.
en oriëntaties, afhankelijk van de eigenschappen van het stersysteem waaruit zij ontstaan, en zijn verantwoordelijk voor veel van de zware elementen in het heelal. Van superreuzensterren en reuzensterren die de planetaire nevelfase ingaan, is aangetoond dat zij beide via het s-proces veel belangrijke elementen van het periodiek systeem opbouwen. NASA, ESA, en The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Maar er zijn ook sterren die veel massiever zijn dan deze, en die in staat zijn om koolstof te laten samensmelten terwijl de kern nog verder inkrimpt. Sterren waar dit gebeurt, fuseren koolstof tot zuurstof, zuurstof tot neon, neon tot magnesium, en zo verder tot ze silicium, zwavel, argon, calcium, en elementen tot ijzer, nikkel en kobalt hebben gemaakt. Als hun bruikbare brandstof op is, eindigen ze hun leven in een catastrofale gebeurtenis die bekend staat als een supernova.
Deze supernovae zijn verantwoordelijk voor een groot deel van veel van de zwaardere elementen in het heelal, terwijl andere gebeurtenissen zoals witte dwerg-witte dwerg fusies of neutronenster-neutronenster fusies de rest produceren. Tussen sterren die hun leven beëindigen in planetaire nevels of supernovae, en de fusies van hun overblijfselen, kunnen we de overgrote meerderheid van de elementen die in de natuur worden gevonden verklaren.
leven, culminerend in een Type II Supernova wanneer de kern geen nucleaire brandstof meer heeft. De laatste fase van de fusie is meestal het verbranden van silicium, waarbij ijzer en ijzerachtige elementen in de kern worden geproduceerd voor slechts een korte tijd voordat een supernova volgt. Veel van de supernova-restanten zullen leiden tot de vorming van neutronensterren, die de grootste hoeveelheden van de zwaarste elementen van allemaal kunnen produceren. Nicole Rager Fuller/NSF
- de oerknal,
- de waterstofverbrandende sterren,
- de heliumverbrandende sterren (compleet met de emissie en absorptie van neutronen),
- de koolstof- en verderverbrandende sterren (compleet met hun levenseinde in Type II supernovae),
- de samensmeltingen van witte dwergen (die supernovae van het type Ia voortbrengen),
- en de samensmeltingen van neutronensterren (die kilonovae voortbrengen en het merendeel van de zwaarste elementen),
we kunnen vrijwel alle elementen die we in het heelal aantreffen verklaren. Er zijn een paar onstabiele elementen die worden overgeslagen – technetium en promethium – omdat ze te snel vervallen. Maar voor drie van de lichtste elementen is een nieuwe methode nodig, omdat geen van deze mechanismen beryllium of borium creëert, en de hoeveelheid lithium die we zien kan niet worden verklaard door de oerknal alleen.
ontstaan, zijn in dit plaatje hierboven gedetailleerd weergegeven. Hoewel de meeste elementen in de eerste plaats ontstaan in supernovae of samensmeltende neutronensterren, ontstaan vele vitaal belangrijke elementen gedeeltelijk of zelfs grotendeels in planetaire nevels, die niet uit de eerste generatie sterren ontstaan. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Hydrogeen versmelt tot helium, en helium is element #2. Er zijn drie heliumkernen nodig om samen te smelten tot koolstof, en koolstof is element #6. Maar hoe zit het met die drie elementen daartussen? Hoe zit het met lithium, beryllium, en borium?
Zoals blijkt, zijn er geen stellaire processen die deze elementen in voldoende hoeveelheden maken zonder ze bijna net zo snel te vernietigen, en er is een goede natuurkundige reden waarom. Als je waterstof aan helium zou toevoegen, zou je lithium-5 maken, dat onstabiel is en bijna onmiddellijk vervalt. Je zou kunnen proberen twee helium-4 kernen samen te smelten om beryllium-8 te maken, dat ook instabiel is en bijna onmiddellijk vervalt. In feite zijn alle kernen met massa’s van 5 of 8 onstabiel.
Je kunt deze elementen niet maken uit stellaire reacties waarbij lichte of zware elementen betrokken zijn; er is geen enkele manier om ze in sterren te maken. Toch bestaan lithium, beryllium en boor niet alleen allemaal, ze zijn essentieel voor levensprocessen hier op aarde.
cel, met veel van de bekende structuren binnenin, inclusief de primaire en secundaire celwanden. Het element boor is absoluut essentieel voor het leven zoals we dat op aarde kennen. Zonder borium zouden plantencelwanden niet bestaan. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Deze elementen danken hun bestaan juist aan de meest energetische deeltjesbronnen in het heelal: pulsars, zwarte gaten, supernovae, kilonovae en actieve sterrenstelsels. Dit zijn de bekende natuurlijke deeltjesversnellers van het heelal, die kosmische deeltjes uitspuwen in alle richtingen door het hele melkwegstelsel en zelfs over de enorme intergalactische afstanden.
De energetische deeltjes die door deze objecten en gebeurtenissen worden geproduceerd, bewegen in alle richtingen, en zullen uiteindelijk een ander materiedeeltje tegen het lijf lopen. Als dat deeltje een koolstofkern (of een zwaardere kern) blijkt te zijn, kan de hoge energie van de botsing een andere kernreactie veroorzaken, die de grotere kern uiteen doet spatten, waardoor een cascade van deeltjes met een lagere massa ontstaat. Net zoals kernsplitsing een atoom kan splitsen in lichtere elementen, kan de botsing van een kosmische straal met een zware kern op dezelfde manier deze zware, complexe deeltjes uit elkaar knallen.
Het superzware zwarte gat in het centrum van de accretieschijf stuurt een smalle, hoogenergetische straal van materie de ruimte in, loodrecht op de accretieschijf van het zwarte gat. Gebeurtenissen en objecten zoals deze kunnen enorm versnelde kosmische deeltjes creëren, die kunnen inslaan op zware atoomkernen en deze uiteen kunnen spatten in kleinere componenten. DESY, Science Communication Lab
Wanneer je een hoogenergetisch deeltje tegen een zware atoomkern slaat, valt de grote kern uiteen in een verscheidenheid van samenstellende deeltjes. Dit proces, dat bekend staat als spallatie, is de manier waarop het grootste deel van lithium, beryllium en boor in ons heelal is gevormd. Dit zijn de enige elementen in het heelal die hoofdzakelijk door dit proces zijn gevormd, en niet door sterren, stellaire resten of de oerknal zelf.
Als je kijkt naar de overvloed aan alle elementen die we kennen, dan is er een oppervlakkig gezien verrassend gebrek aan de 3de, 4de en 5de lichtste elementen van allemaal. Er is een enorme kloof tussen helium en koolstof, en eindelijk weten we waarom. De enige manier om deze kosmische zeldzaamheden te produceren is door een toevallige botsing van deeltjes die door het heelal vliegen, en daarom is er slechts een paar miljardste van de hoeveelheid van elk van deze elementen vergeleken met koolstof, zuurstof en helium. Kosmische straling spallatie is de enige manier om ze te maken als we eenmaal het tijdperk van de sterren zijn binnengegaan, en miljarden jaren later zijn zelfs deze sporenelementen essentieel voor het boek van het leven.
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.