nucleu atomic, acesta poate despărți acel nucleu într-un proces cunoscut sub numele de spallație. Acesta este modul copleșitor prin care Universul, odată ce ajunge la vârsta stelelor, produce litiu, beriliu și bor noi. Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube
Dacă ar fi să luați fiecare element din tabelul periodic și să le ordonați în funcție de cât de abundente sunt în Univers, ați găsi ceva un pic surprinzător. Cel mai răspândit element este hidrogenul, care compune aproape trei sferturi din Univers ca masă. La aproximativ un sfert se află heliul, produs în cea mai mare parte în etapele timpurii ale Big Bang-ului fierbinte, dar, de asemenea, produs de fuziunea nucleară care are loc în majoritatea stelelor, inclusiv în Soarele nostru.
După acesta se află oxigenul pe locul 3, carbonul pe locul 4, urmat îndeaproape de neon, azot, fier, magneziu și siliciu, toate acestea fiind produse în interiorul stelelor fierbinți, masive și gigantice. În general, elementele mai grele sunt rare, iar elementele ușoare sunt abundente, dar există trei mari excepții: litiul, beriliul și borul. Totuși, aceste trei elemente sunt al treilea, al patrulea și al cincilea cel mai ușor dintre toate. Iată povestea cosmică a motivului pentru care sunt atât de rare.
astăzi, așa cum este măsurat pentru sistemul nostru solar. În ciuda faptului că sunt al treilea, al patrulea și al cincilea cel mai ușor element dintre toate, abundențele de litiu, beriliu și bor sunt cu mult sub toate celelalte elemente apropiate din tabelul periodic. MHz`as/Wikimedia Commons (imagine); K. Lodders, ApJ 591, 1220 (2003) (date)
În perioada imediat următoare Big Bang-ului fierbinte, primele nuclee atomice s-au format dintr-o mare ultra-energetică de quarcuri, leptoni, fotoni, gluoni și antiparticule. Pe măsură ce Universul s-a răcit, antiparticulele s-au anihilat, fotonii au încetat să mai fie suficient de energici pentru a distruge nucleele legate și, astfel, protonii și neutronii Universului timpuriu au început să fuzioneze între ei. Dacă am fi putut crea elementele grele care se găsesc pe planeta Pământ, Universul ar fi putut fi pregătit pentru viață încă de la nașterea primelor stele.
Din păcate pentru visul nostru ca Universul să se nască cu ingredientele necesare vieții, fotonii rămân prea energici pentru a forma chiar și cel mai simplu nucleu greu – deuteriu, cu un proton și un neutron legați între ei – până când au trecut mai mult de trei minute de la Big Bang. În momentul în care reacțiile nucleare pot continua, Universul este doar o miliardime din densitatea centrului Soarelui.
heliu-3 și litiu-7, așa cum a fost prezis de Nucleosinteza Big Bang, cu observațiile prezentate în cercurile roșii. Rețineți punctul cheie aici: o teorie științifică bună (Big Bang Nucleosynthesis) face predicții robuste și cantitative pentru ceea ce ar trebui să existe și să fie măsurabil, iar măsurătorile (în roșu) se aliniază extraordinar de bine cu predicțiile teoriei, validând-o și limitând alternativele. Curbele și linia roșie se referă la 3 specii de neutrini; un număr mai mare sau mai mic conduce la rezultate care intră în conflict grav cu datele, în special pentru deuteriu și heliu-3. NASA / WMAP Science Team
Este totuși o afacere destul de bună, deoarece ne oferă un Univers alcătuit din aproximativ 75% hidrogen, 25% heliu-4, aproximativ 0,01% deuteriu și heliu-3 fiecare și aproximativ 0,0000001% litiu. Această cantitate minusculă de litiu este ceea ce exista înainte de a se forma stelele din Univers, iar acesta este un lucru foarte, foarte bun pentru noi, deoarece litiul este un element destul de important pentru multe aplicații, tehnologii și chiar funcții biologice aici pe Pământ, inclusiv la oameni.
Dar odată ce începeți să formați stele, totul se schimbă. Da, odată ce atingi densități asemănătoare cu cele ale stelelor împreună cu temperaturi care cresc peste aproximativ 4 milioane de K, începi să fuzionezi hidrogenul în heliu; Soarele nostru este ocupat să facă asta chiar acum. Procesele nucleare care au loc schimbă literalmente Universul. Numai că ele nu schimbă lucrurile doar în modul în care ne-am dori; ele schimbă lucrurile și într-o direcție neașteptată.
a lanțului proton-proton, care produce heliu-4 din combustibilul inițial hidrogen. Acesta este procesul nuclear care fuzionează hidrogenul în heliu în Soare și în toate stelele asemănătoare. Utilizator Wikimedia Commons Sarang
Când se formează o stea, nu doar hidrogenul ajunge la acele temperaturi astronomice, ci toate particulele din interior. Din nefericire pentru litiu, aceste temperaturi sunt mai mult decât suficiente pentru a-l spulbera. Litiul a fost unul dintre cele mai notorii elemente greu de măsurat din Univers în primul rând din acest motiv: în momentul în care ajungem în prezent și putem extrage în mod fiabil un semnal de litiu, o mare parte din ceea ce a fost la început în Univers a fost deja distrus.
„Stați așa”, vă pot auzi obiecționând. „Universul este în mod clar plin de aceste elemente grele: carbon, azot, oxigen, fosfor și toate elementele necesare vieții, până la tabelul periodic, până la uraniu și chiar mai departe. Cu siguranță trebuie să existe o modalitate de a le produce, nu-i așa?”
Într-adevăr, aveți dreptate.
elementele mai grele decât hidrogenul ne pot oferi o fereastră puternică spre trecutul Universului, precum și o perspectivă asupra propriilor noastre origini. Cu toate acestea, fiecare element făcut după litiu nu ar fi putut veni la noi din cele mai vechi timpuri ale Universului, ci a trebuit să fie creat mai târziu. Utilizator Wikimedia Commons Cepheus
Când fiecare stea suficient de masivă (inclusiv Soarele nostru) consumă tot hidrogenul din miezul său, fuziunea nucleară încetinește și se oprește. Dintr-o dată, presiunea de radiație care susținea interiorul stelei împotriva colapsului gravitațional începe să scadă, iar miezul începe să se micșoreze.
În fizică, atunci când orice sistem de materie se comprimă rapid în raport cu o anumită scală de timp, se încălzește. În interiorul stelelor, un nucleu format în mare parte din heliu poate atinge temperaturi atât de extreme încât poate începe fuziunea nucleară a heliului în carbon, printr-o reacție nucleară specială cunoscută sub numele de procesul triplu-alfa. În stele precum Soarele, carbonul este finalul, iar singurul mod în care se formează elemente mai grele este prin producerea de neutroni, ceea ce vă poate urca foarte încet în tabelul periodic.
După ce fuziunea heliului și-a urmat complet cursul, straturile exterioare ale stelei vor fi expulzate într-o nebuloasă planetară, în timp ce miezul se va micșora pentru a forma o pitică albă.
și orientări, în funcție de proprietățile sistemului stelar din care provin, și sunt responsabile pentru multe dintre elementele grele din Univers. S-a demonstrat că atât stelele supergigante, cât și stelele gigantice care intră în faza de nebuloasă planetară construiesc multe elemente importante din tabelul periodic prin intermediul procesului s. NASA, ESA și The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Dar există stele mult mai masive decât aceasta, capabile să sufere fuziunea carbonului pe măsură ce nucleul se contractă și mai mult. Stelele în care se întâmplă acest lucru vor fuziona carbonul în oxigen, oxigenul în neon, neon în magneziu, și tot așa până când vor crea siliciu, sulf, argon, calciu și elemente până la fier, nichel și cobalt. Când, în cele din urmă, au rămas fără combustibil util, își vor încheia viața într-un eveniment cataclismic cunoscut sub numele de supernovă.
Aceste supernove sunt responsabile pentru o mare parte din multe dintre elementele mai grele ale Universului, în timp ce alte evenimente, cum ar fi fuziunile dintre pitice albe și pitice albe sau fuziunile dintre stelele neutronice și stelele neutronice, produc restul. Între stelele care își sfârșesc viața în nebuloase planetare sau supernove, precum și fuziunile rămășițelor acestora, putem explica majoritatea covârșitoare a elementelor întâlnite în natură.
viață, culminând cu o supernovă de tip II atunci când nucleul rămâne fără combustibil nuclear. Stadiul final al fuziunii este, de obicei, arderea siliciului, producând fier și elemente asemănătoare fierului în nucleu doar pentru o scurtă perioadă de timp înainte de a se produce o supernovă. Multe dintre rămășițele supernovei vor duce la formarea stelelor neutronice, care pot produce cele mai mari abundențe ale celor mai grele elemente dintre toate. Nicole Rager Fuller/NSF
Între următoarele mecanisme:
- Big Bang-ul,
- stelele care ard hidrogenul,
- stelele care ard heliul (completate de emisia și absorbția neutronilor),
- stelele care ard carbonul și dincolo de el (completate de sfârșitul lor de viață în supernovele de tip II),
- fuziunea piticilor albi (producând supernove de tip Ia),
- și fuziunea stelelor neutronice (producând kilonove și majoritatea celor mai grele elemente),
putem explica practic fiecare dintre elementele pe care le găsim în Univers. Există câteva elemente instabile care sunt omise – tecnețiu și promețiu – deoarece se dezintegrează prea repede. Dar trei dintre cele mai ușoare elemente au nevoie de o nouă metodă, deoarece niciunul dintre aceste mecanisme nu creează beriliu sau bor, iar cantitatea de litiu pe care o observăm nu poate fi explicată doar prin Big Bang.
origine, sunt detaliate în această imagine de mai sus. În timp ce majoritatea elementelor își au originea în principal în supernove sau în stele neutronice care fuzionează, multe elemente de importanță vitală sunt create, parțial sau chiar în cea mai mare parte, în nebuloase planetare, care nu provin din prima generație de stele. NASA/CXC/SAO/K. Divona
Hidrogenul fuzionează în heliu, iar heliul este elementul 2. Este nevoie de trei nuclee de heliu pentru a fuziona în carbon, unde carbonul este elementul #6. Dar ce se întâmplă cu cele trei elemente intermediare? Cum rămâne cu litiul, beriliul și borul?
Se pare că nu există procese stelare care să producă aceste elemente în cantități suficiente fără să le distrugă aproape la fel de repede, și există un motiv fizic bun pentru care. Dacă ar fi să adăugați hidrogen la heliu, ați crea litiu-5, care este instabil și se descompune aproape imediat. Ați putea încerca să fuzionați două nuclee de heliu-4 pentru a obține beriliu-8, care este, de asemenea, instabil și se dezintegrează aproape imediat. De fapt, toate nucleele cu mase de 5 sau 8 sunt instabile.
Nu puteți crea aceste elemente din reacții stelare care implică elemente ușoare sau grele; nu există nicio modalitate de a le crea în stele. Cu toate acestea, litiul, beriliul și borul nu numai că există cu toții, dar sunt esențiali pentru procesele vieții aici, pe Pământ.
celulă, cu multe dintre structurile familiare din interior, inclusiv pereții săi celulari primari și secundari. Elementul bor este absolut esențial pentru viața așa cum o cunoaștem noi pe Pământ. Fără bor, pereții celulelor vegetale nu ar exista. Caroline Dahl / cca-by-sa-3.0
Aceste elemente, în schimb, își datorează existența celor mai energetice surse de particule din Univers: pulsari, găuri negre, supernove, kilonove și galaxii active. Acestea sunt acceleratorii naturali de particule cunoscuți ai Universului, care scuipă particule cosmice în toate direcțiile în întreaga galaxie și chiar pe distanțele intergalactice vaste.
Particulele energetice produse de aceste obiecte și evenimente se deplasează în toate direcțiile și, în cele din urmă, se vor întâlni cu o altă particulă de materie. Dacă acea particulă pe care o lovește se dovedește a fi un nucleu de carbon (sau un nucleu mai greu), energiile înalte ale coliziunii pot provoca o altă reacție nucleară care aruncă în aer nucleul mai mare, creând o cascadă de particule cu masă mai mică. La fel cum fisiunea nucleară poate diviza un atom în elemente mai ușoare, coliziunea unei raze cosmice cu un nucleu greu poate, în mod similar, să distrugă aceste particule grele și complexe.
Gaura neagră supermasivă din centrul discului de acreție trimite în spațiu un jet îngust, de mare energie, de materie, perpendicular pe discul de acreție al găurii negre. Evenimentele și obiectele de acest fel pot crea particule cosmice enorm de accelerate, care se pot izbi de nucleele atomice grele și le pot sparge în componente mai mici. DESY, Laboratorul de Comunicare Științifică
Când izbiți o particulă de mare energie într-un nucleu masiv, nucleul mare se sparge într-o varietate de particule componente. Acest proces, cunoscut sub numele de spallație, este modul în care s-a format cea mai mare parte a litiului, beriliului și borului în Universul nostru. Acestea sunt singurele elemente din Univers care s-au format în principal prin acest proces, mai degrabă decât prin stele, rămășițe stelare sau prin Big Bang-ul însuși.
Când vă uitați la cât de abundente sunt toate elementele pe care le cunoaștem, există o lipsă surprinzătoare în mod superficial a celui de-al 3-lea, al 4-lea și al 5-lea element cel mai ușor dintre toate. Există o prăpastie enormă între heliu și carbon și, în sfârșit, știm de ce. Singura modalitate de a produce aceste rarități cosmice este o coliziune întâmplătoare a particulelor care străbat Universul, motiv pentru care există doar câteva miliardimi din oricare dintre aceste elemente în comparație cu carbonul, oxigenul și heliul. Spallația razelor cosmice este singura modalitate de a le produce odată ce am intrat în era stelelor, iar miliarde de ani mai târziu, chiar și aceste oligoelemente sunt esențiale pentru cartea vieții.
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu web sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.