jądro atomu, może rozszczepić to jądro w procesie znanym jako spallation. Jest to nadrzędny sposób, w jaki Wszechświat, po osiągnięciu wieku gwiazd, produkuje nowy lit, beryl i bor. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Gdybyś wziął każdy pierwiastek z układu okresowego i uporządkował je według tego, jak obficie występują we Wszechświecie, znalazłbyś coś nieco zaskakującego. Najbardziej powszechnym pierwiastkiem jest wodór, stanowiący prawie trzy czwarte masy Wszechświata. Około jednej czwartej stanowi hel, produkowany głównie we wczesnych etapach gorącego Wielkiego Wybuchu, ale także w wyniku fuzji jądrowej zachodzącej w większości gwiazd, w tym w naszym Słońcu.
Poniżej znajduje się tlen na trzecim miejscu, węgiel na czwartym, a zaraz za nim neon, azot, żelazo, magnez i krzem, wszystkie te pierwiastki są produkowane we wnętrzach gorących, spalających się, masywnych i olbrzymich gwiazd. Ogólnie rzecz biorąc, cięższe pierwiastki są rzadkie, a lekkie obfite, ale są trzy duże wyjątki: lit, beryl i bor. Jednak te trzy pierwiastki są 3, 4 i 5 najlżejsze ze wszystkich. Oto kosmiczna historia, dlaczego są one tak rzadkie.
dzisiaj, zgodnie z pomiarami dla naszego Układu Słonecznego. Pomimo tego, że lit, beryl i bor są 3, 4 i 5 najlżejszymi pierwiastkami, ich liczebność jest znacznie niższa od liczebności wszystkich innych pobliskich pierwiastków w układzie okresowym. MHz`as/Wikimedia Commons (obraz); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (dane)
W bezpośrednim następstwie gorącego Wielkiego Wybuchu, pierwsze jądra atomowe uformowały się z ultra-energetycznego morza kwarków, leptonów, fotonów, gluonów i antycząstek. W miarę ochładzania się Wszechświata antycząstki anihilowały, fotony przestały być wystarczająco energetyczne, by rozsadzać związane jądra, więc protony i neutrony wczesnego Wszechświata zaczęły łączyć się ze sobą. Gdybyśmy mogli stworzyć ciężkie pierwiastki, które można znaleźć na Ziemi, Wszechświat mógłby być gotowy do życia już w momencie narodzin pierwszych gwiazd.
Niestety dla naszych marzeń o Wszechświecie urodzonym ze składnikami niezbędnymi do życia, fotony pozostają zbyt energetyczne, aby utworzyć nawet najprostsze ciężkie jądro – deuter, z jednym protonem i jednym neutronem związanymi ze sobą – dopóki nie miną ponad trzy minuty od Wielkiego Wybuchu. Do czasu, gdy reakcje jądrowe mogą zachodzić, Wszechświat ma tylko jedną miliardową część gęstości jak środek Słońca.
hel-3 i lit-7 zgodnie z przewidywaniami nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, z obserwacjami pokazanymi w czerwonych kółkach. Zwróćmy uwagę na kluczową kwestię: dobra teoria naukowa (Nukleosynteza Wielkiego Wybuchu) zawiera solidne, ilościowe przewidywania tego, co powinno istnieć i być mierzalne, a pomiary (na czerwono) wyjątkowo dobrze pokrywają się z przewidywaniami teorii, potwierdzając ją i ograniczając alternatywy. Krzywe i czerwona linia są dla 3 gatunków neutrin; więcej lub mniej prowadzi do wyników, które są poważnie sprzeczne z danymi, szczególnie dla deuteru i helu-3. NASA / WMAP Science Team
To wciąż jest całkiem niezły układ, ponieważ daje nam Wszechświat zbudowany z około 75% wodoru, 25% helu-4, około 0,01% deuteru i helu-3 każdy, i około 0,0000001% litu. Ta maleńka ilość litu jest tym, co istniało zanim uformowały się jakiekolwiek gwiazdy we Wszechświecie, i to jest naprawdę, naprawdę dobra rzecz dla nas, ponieważ lit jest dość ważnym elementem dla wielu zastosowań, technologii, a nawet funkcji biologicznych tutaj na Ziemi, w tym u ludzi.
Ale kiedy zaczniesz tworzyć gwiazdy, wszystko się zmienia. Tak, kiedy osiągniesz gęstość zbliżoną do gwiazdowej wraz z temperaturą, która wzrasta powyżej około 4 milionów K, zaczynasz topić wodór w hel; nasze Słońce jest zajęte robieniem tego właśnie teraz. Procesy jądrowe, które zachodzą, dosłownie zmieniają Wszechświat. Tylko, że one nie tylko zmieniają rzeczy w sposób, w jaki byśmy chcieli; zmieniają je również w nieoczekiwanym kierunku.
łańcucha proton-proton, który wytwarza hel-4 z początkowego paliwa wodorowego. Jest to proces jądrowy, który powoduje syntezę wodoru w hel w Słońcu i wszystkich podobnych gwiazdach. Wikimedia Commons użytkownik Sarang
Gdy tworzysz gwiazdę, nie tylko wodór osiąga te astronomicznie wysokie temperatury, ale wszystkie cząsteczki znajdujące się w jej wnętrzu. Niestety dla litu, są to temperatury, które są więcej niż wystarczające, aby go rozsadzić. Lit jest jednym z najbardziej notorycznie trudnych do zmierzenia pierwiastków we Wszechświecie głównie z tego powodu: zanim dotrzemy do dnia dzisiejszego i będziemy w stanie wiarygodnie wyodrębnić sygnał litu, wiele z tego, z czym Wszechświat się rozpoczął, zostało już zniszczone.
„Poczekaj,” słyszę twój sprzeciw. „Wszechświat jest wyraźnie pełen tych ciężkich pierwiastków: węgla, azotu, tlenu, fosforu i wszystkich pierwiastków niezbędnych do życia, aż do układu okresowego uranu, a nawet dalej. Z pewnością musi istnieć sposób, aby je wytworzyć, prawda?”
I rzeczywiście, masz rację.
pierwiastki cięższe od wodoru mogą dać nam potężne okno w przeszłość Wszechświata, jak również wgląd w nasze własne pochodzenie. Jednak każdy z pierwiastków powstałych po litu nie mógł przybyć do nas od najwcześniejszych czasów we Wszechświecie, lecz musiał powstać później. Wikimedia Commons użytkownik Cepheus
Kiedy każda wystarczająco masywna gwiazda (w tym nasze Słońce) wypala cały wodór w swoim jądrze, fuzja jądrowa zwalnia i zatrzymuje się. Nagle ciśnienie promieniowania, które utrzymywało wnętrze gwiazdy przed kolapsem grawitacyjnym, zaczyna spadać, a jądro zaczyna się kurczyć.
W fizyce, gdy jakikolwiek układ materii ulega szybkiemu ściśnięciu w pewnej skali czasowej, nagrzewa się. We wnętrzach gwiazd, jądro składające się głównie z helu może osiągnąć tak ekstremalne temperatury, że może rozpocząć się fuzja jądrowa helu w węgiel, poprzez specjalną reakcję jądrową znaną jako proces potrójnej alfa. W gwiazdach takich jak Słońce, węgiel jest końcem, a jedynym sposobem na powstanie cięższych pierwiastków jest produkcja neutronów, co może bardzo powoli przesuwać cię w górę układu okresowego.
Gdy fuzja helu w pełni zakończy swój bieg, zewnętrzne warstwy gwiazdy zostaną usunięte w mgławicy planetarnej, podczas gdy jądro kurczy się tworząc białego karła.
i orientacji w zależności od właściwości układu gwiezdnego, z którego powstają, i są odpowiedzialne za wiele ciężkich pierwiastków we Wszechświecie. Supergwiazdy i gwiazdy olbrzymie wchodzące w fazę mgławicy planetarnej są w stanie zbudować wiele ważnych pierwiastków układu okresowego poprzez proces s. NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Ale istnieją gwiazdy znacznie masywniejsze od tej, zdolne do przechodzenia fuzji węgla, gdy ich jądro kurczy się jeszcze bardziej. Gwiazdy, w których to zachodzi, będą przekształcać węgiel w tlen, tlen w neon, neon w magnez, i tak w kółko, aż powstanie krzem, siarka, argon, wapń i pierwiastki aż do żelaza, niklu i kobaltu. Kiedy w końcu zabraknie im użytecznego paliwa, zakończą swój żywot w kataklizmie znanym jako supernowa.
Te supernowe są odpowiedzialne za dużą część wielu cięższych pierwiastków we Wszechświecie, podczas gdy inne zdarzenia, takie jak fuzje białych karłów z białymi karłami lub fuzje gwiazd neutronowych z gwiazdami neutronowymi, produkują resztę. Między gwiazdami, które kończą swoje życie w mgławicach planetarnych lub supernowych, jak również w wyniku fuzji ich pozostałości, możemy opisać przytłaczającą większość pierwiastków występujących w przyrodzie.
życia, a punktem kulminacyjnym jest supernowa typu II, kiedy w jądrze kończy się paliwo jądrowe. Ostatnim etapem syntezy jądrowej jest zwykle spalanie krzemu, w wyniku którego w jądrze przez krótki czas powstaje żelazo i pierwiastki żelazopodobne, zanim dojdzie do wybuchu supernowej. Wiele z pozostałości po supernowych doprowadzi do powstania gwiazd neutronowych, które mogą produkować największe ilości najcięższych pierwiastków ze wszystkich. Nicole Rager Fuller/NSF
Między następującymi mechanizmami:
- Wielki Wybuch,
- gwiazdy spalające wodór,
- gwiazdy spalające hel (wraz z emisją i absorpcją neutronów),
- gwiazdy spalające węgiel i inne pierwiastki (wraz z ich końcem życia w supernowych typu II),
- fuzje białych karłów (produkujących supernowe typu Ia),
- oraz fuzje gwiazd neutronowych (produkujących kilonowe i większość najcięższych pierwiastków),
możemy wyjaśnić praktycznie każdy z pierwiastków, które znajdujemy we Wszechświecie. Jest kilka niestabilnych pierwiastków, które zostały pominięte – technet i promet – ponieważ rozpadają się zbyt szybko. Ale trzy z najlżejszych pierwiastków wymagają nowej metody, ponieważ żaden z tych mechanizmów nie tworzy berylu ani boru, a ilość litu, jaką widzimy, nie może być wyjaśniona jedynie przez Wielki Wybuch.
pochodzą, są wyszczególnione na powyższym obrazku. Podczas gdy większość pierwiastków powstaje głównie w supernowych lub łączących się gwiazdach neutronowych, wiele niezwykle ważnych pierwiastków powstaje, częściowo lub w większości, w mgławicach planetarnych, które nie powstają z pierwszej generacji gwiazd. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Hydrogen łączy się w hel, a hel jest pierwiastkiem #2. Potrzeba trzech jąder helu, aby stopić się razem w węgiel, gdzie węgiel jest elementem #6. Ale co z tymi trzema pierwiastkami pomiędzy? Co z litem, berylem i borem?
Jak się okazuje, nie ma żadnych procesów gwiezdnych, które wytwarzałyby te pierwiastki w wystarczających ilościach, nie niszcząc ich prawie tak szybko, i jest ku temu dobry powód z fizyki. Jeśli dodalibyśmy wodór do helu, powstałby lit-5, który jest niestabilny i rozpada się niemal natychmiast. Można też spróbować połączyć dwa jądra helu-4, aby powstał beryl-8, który również jest niestabilny i rozpada się niemal natychmiast. W rzeczywistości wszystkie jądra o masach 5 lub 8 są niestabilne.
Nie można wytworzyć tych pierwiastków w reakcjach gwiezdnych z udziałem lekkich lub ciężkich pierwiastków; w ogóle nie ma możliwości wytworzenia ich w gwiazdach. Jednak lit, beryl i bor nie tylko istnieją, ale są niezbędne dla procesów życiowych tu na Ziemi.
komórka, z wieloma znanymi strukturami wewnątrz, w tym jej pierwotną i wtórną ścianą komórkową. Pierwiastek bor jest absolutnie niezbędny do życia, jakie znamy na Ziemi. Bez boru ściany komórkowe roślin nie istniałyby. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Pierwiastki te, zamiast tego, zawdzięczają swoje istnienie najbardziej energetycznym źródłom cząstek we Wszechświecie: pulsarom, czarnym dziurom, supernowych, kilonowów i aktywnym galaktykom. Są to znane we Wszechświecie naturalne akceleratory cząstek, wyrzucające cząstki kosmiczne we wszystkich kierunkach w całej galaktyce, a nawet w ogromnych odległościach międzygalaktycznych.
Eneretyczne cząstki wytwarzane przez te obiekty i zdarzenia poruszają się we wszystkich kierunkach i w końcu natrafią na inną cząstkę materii. Jeśli uderzona cząstka okaże się jądrem węgla (lub cięższym), wysoka energia zderzenia może wywołać kolejną reakcję jądrową, która rozsadzi większe jądro, tworząc kaskadę cząstek o mniejszej masie. Tak jak rozszczepienie jądra atomowego może rozszczepić atom na lżejsze pierwiastki, tak zderzenie promienia kosmicznego z ciężkim jądrem może w podobny sposób rozsadzić te ciężkie, złożone cząstki.
Supermasywna czarna dziura w centrum dysku akrecyjnego wysyła w przestrzeń wąski, wysokoenergetyczny strumień materii, prostopadły do dysku akrecyjnego czarnej dziury. Zdarzenia i obiekty takie jak ten mogą tworzyć ogromnie przyspieszone cząstki kosmiczne, które mogą rozbijać się o ciężkie jądra atomowe i rozbijać je na mniejsze elementy. DESY, Science Communication Lab
Kiedy rozbijasz wysokoenergetyczną cząstkę o masywne jądro, duże jądro rozpada się na wiele cząstek składowych. Ten proces, znany jako spallacja, jest sposobem, w jaki większość litu, berylu i boru powstała w naszym Wszechświecie. Są to jedyne pierwiastki we Wszechświecie, które powstały głównie w tym procesie, a nie w gwiazdach, pozostałościach po gwiazdach lub w samym Wielkim Wybuchu.
Gdy spojrzymy na obfitość wszystkich znanych nam pierwiastków, zaskakująca jest powierzchowna ubogość trzeciego, czwartego i piątego najlżejszego z nich. Między helem a węglem jest ogromna przepaść i wreszcie wiemy dlaczego. Jedynym sposobem na wytworzenie tych kosmicznych rarytasów jest przypadkowa kolizja cząstek przemierzających Wszechświat, dlatego ilość któregokolwiek z tych pierwiastków jest tylko o kilka miliardowych części mniejsza niż węgla, tlenu i helu. Spalanie promieni kosmicznych to jedyny sposób, aby je wytworzyć, gdy już wejdziemy w wiek gwiazd, a miliardy lat później nawet te pierwiastki śladowe są niezbędne do stworzenia księgi życia.
Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.