Forskere gennemsøger kosmos for at finde oprindelsen til de periodiske system 118 grundstoffer

Siden opfindelsen af ​​det periodiske system for 150 år siden i denne måned, videnskabsmænd har arbejdet på at udfylde rækkerne af elementer og give mening om deres egenskaber.

Men forskere har også forfulgt en parallel søgen:at gennemsøge kosmos for at finde ud af, hvor alle 118 elementer kom fra.

Efter århundreders indsats, de har fastslået, at langt de fleste elementer blev smedet i stjernernes brændende liv og mærkelige dødsfald. De gennemsyrer nu galakser, tilføre den næste generation af stjerner og planeter kemisk diversitet.

Ja, hvert element på Jorden – bortset fra nogle få lavet for nylig af mennesker – blev arvet fra den tåge, der fødte vores solsystem for 4,5 milliarder år siden. Det inkluderer jernet i vores skyskrabere, silicium i vores computere, guldet i vores smykker, og calcium i vores knogler.

"Der er en reel forbindelse mellem vores galakse - vores univers - og vores menneskehed på grund af elementerne." sagde John Cowan, en astrofysiker ved University of Oklahoma.

Så hvordan fyldte naturen op i det periodiske system? Historien starter ved begyndelsen.

Selve begyndelsen.

Inden for 15 minutter efter Big Bang, brintatomer (atomnummer 1) smeltede sammen skyen af ​​nyfødte partikler, da den udvidede sig og afkølede. Nogle af dem blev hurtigt kombineret til helium (atomnummer 2).

Disse to elementer udgør stadig 98 procent af universet, og de er de primære ingredienser i stjerner. En banebrydende astronom ved navn Cecilia Payne-Gaposchkin opdagede dette, da hun offentliggjorde det første nøjagtige skøn over solens sammensætning i 1925, vælter den fremherskende tro på, at den lignede Jordens.

De allerførste stjerner blev dannet omkring 100 millioner år efter Big Bang, sagde Jennifer Johnson, en astronom ved Ohio State University, som skrev en anmeldelse af elementær oprindelse i fredagens udgave af Science for at fejre det periodiske systems halvårlige jubilæum.

Disse stjerner var massive, og i millioner af år, de genererede energi ved at "brænde" brint - ved at kombinere atomer til helium gennem kernefusion, som solen gør i dag.

Til sidst, imidlertid, alle stjerner løber tør for brintbrændstof. Så begynder de at lave stadigt tungere elementer i et stadig mere hektisk tempo, udfylde de næste tre rækker i det periodiske system i processen.

For en stund, de forbrænder helium til kulstof (atomnummer 6) og oxygen (atomnummer 8). I de sidste århundreder af en massiv stjernes liv, det omdanner kulstof til grundstoffer som natrium (atomnummer 11) og magnesium (atomnummer 12).

I de sidste uger, oxygenatomer smelter sammen til silicium (atomnummer 14), fosfor (atomnummer 15), og svovl (atomnummer 16). Og i de allersidste dage af en stjernes meget lange liv, det producerer metaller som jern (atomnummer 26).

Der er noget vidunderligt prosaisk over det, sagde Johnson. "Det er en menneskelig tidsskala."

Dernæst kommer, hvad astronomer ildevarslende kalder "jernkatastrofen." Fusion kan ikke kombinere grundstoffer, der er tungere end jern, så stjernen pludselig løber tør for saft.

"Det går i frit fald, " sagde Johnson.

På mindre end et sekund, stjernen kollapser på sig selv og eksploderer derefter som en supernova - og spyr sine nyslåede elementer ud i universet.

Supernovaer kan også udløse kosmiske stråler, der bryder større atomer ad for at skabe lithium (atomnummer 3), beryllium (atomnummer 4) og bor (atomnummer 5). Denne proces er hovedkilden til disse elementer i universet.

At grundstofferne op til jern blev kogt sammen i stjerner har været mere eller mindre afgjort i årtier, takket være den britiske astronom Fred Hoyles arbejde. Oprindelsen af ​​resten af ​​elementerne har været sværere at fastlægge.

Begyndelsen på et svar kom i et skelsættende papir fra 1957 skrevet af Caltech-astronomen Margaret Burbidge og hendes mand, George, sammen med Hoyle og en anden fremtrædende videnskabsmand, William Fowler. (Papiret, som begynder med Shakespeares grublerier om stjernerne, er siden blevet så berømt, at videnskabsmænd blot omtaler det som B2FH, for forfatternes initialer.)

Tunge grundstoffer dannes, når et frøatom som kulstof eller jern bliver bombarderet med neutroner og fanger dem i sin kerne.

"Det sluger dem alle, " sagde Anna Frebel, en astronom ved MIT. "Så er spørgsmålet, kan den lide det eller ej? Og normalt, det gør det ikke." Så atomet gennemgår radioaktivt henfald, og fremstår i sidste ende som et tungere og mere stabilt element.

B2FH lagde fysikken for, hvordan denne proces kunne ske hurtigt eller langsomt.

En oplagt kandidat til den hurtige proces var en supernovas kaos. Men i de senere år, videnskabsmænd er begyndt at stille spørgsmålstegn ved den idé. "Der er sandsynligvis ikke nok humør selv i en massiv supernovaeksplosion til at skabe alle disse elementer, " sagde Frebel.

Nogle af beviserne kommer fra Frebels forskning i en lille galakse, der indeholdt dynger af guld og andre tunge grundstoffer. Hvis de alle havde været resultatet af supernovaer, det ville have krævet så mange, at "du kommer til at sprænge galaksen fra hinanden, " hun sagde.

I stedet, forskere er begyndt at favorisere et andet fænomen:fusioner mellem neutronstjerner.

Neutronstjerner er ultratætte kugler efterladt efter massive stjerners død. De kan have diametre så små som 12 miles og masser op til 2,5 gange solens. Lejlighedsvis, to af dem bliver låst ind i en dødbringende tango, spiraler mod hinanden, indtil de støder sammen.

Disse fusioner frigiver en regn af neutroner, der er intens nok til at skabe de tungeste grundstoffer i universet, som uran (atomnummer 92) og plutonium (atomnummer 94).

Denne idé blev styrket i 2017, da Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory opdagede en neutronstjernekollision for første gang. Forskere studerede lyset fra eksplosionen og fandt fingeraftryk af tunge grundstoffer, inklusive guld.

Forskere skal stadig sortere de relative roller af superovae og neutronstjernefusioner. Men Frebel sagde, at videnskabsmænd kommer tættere på at forstå kilden til hvert element.

"Det sidste store hul er lukket, sagde hun. Det er bare dejligt.

De første neutronstjernefusioner fandt sted efter den første generation af stjerner døde, og de sprøjtede kosmos med alle slags nye atomer.

Det inkluderer nogle, der er så ustabile, at de ikke eksisterer i vores solsystem i dag - bortset fra et par millisekunder i en forsker laboratorium.

"Du suser hele vejen gennem det periodiske system, " sagde Johnson. "Så inden for omkring 200 millioner år efter Big Bang, du har lavet noget af hvert element."

Men universets sammensætning blev ved med at ændre sig. I løbet af de næste 1 milliard år, nye kosmiske processer begyndte at øge mængden af ​​visse grundstoffer, efterhånden som mindre stjerner begyndte at dannes.

Disse stjerner er ikke store nok til at producere noget tungere end kulstof og ilt - eller til at sprænge i luften som massive supernovaer. I stedet, når fusionen i deres kerner ophører, de forfalder til hvide dværge.

Hvide dværge kan støde sammen, udløser en løbsk fusionsproces, der omdanner næsten alt i stjernen til jern. "Du kan grundlæggende skabe en jernbombe, " sagde Frebel.

Inden da, under deres langvarige død, nogle lavmassestjerner kan også inkubere tunge grundstoffer. Neutroner, der er tilbage fra deres helium-brændende dage, glom på kernerne af andre grundstoffer med en hastighed på omkring én hver par uger eller måneder, gradvist at bygge tungere atomer, der går hen over det periodiske system.

Der skal mere end 100 fangede neutroner til at omdanne et jernatom til et sjældent jordart som lanthan (atomnummer 57) eller lutetium (atomnummer 71). Imidlertid, der er masser af disse stjerner, og de hænger rundt i lang tid, så de producerer omkring halvdelen af ​​grundstofferne tungere end jern.

En astronom ved navn Paul Merrill fandt beviser for denne proces i 1951. Arbejder ved Mount Wilson Observatory over Los Angeles, han identificerede det radioaktive grundstof technetium (atomnummer 43) i en syg, gammel stjerne.

Forskere vidste, at technetium var ustabilt og hurtigt henfaldt. Det betød, at den ikke kunne have været arvet af en stjerne, der allerede var milliarder af år gammel, Merrill indså. Den eneste måde, elementet kunne være kommet dertil, var, hvis stjernen havde klaret det.

I dag, 13,8 milliarder år efter Big Bang, stjerner har omdannet omkring 2 procent af universets brint og helium til andre grundstoffer.

De findes nu i varierende mængder, afhængigt af hyppigheden og produktiviteten af ​​de processer, der skaber dem. Platin (atomnummer 78), for eksempel, er en million gange mere sjælden end jern, fordi neutronstjernefusioner ikke sker særlig ofte. (Det er en af ​​grundene til, at ædle metaller er ædle, sagde Cowan.)

Tilstedeværelsen af ​​elementer som kulstof og ilt hjalp med at afkøle galaksens hjørner, så mindre stjerner som solen kunne dannes. Og udseendet af metaller gjorde det muligt for solsystemer at dukke op fra skiverne af gas og støv, der hvirvlede rundt om disse nye stjerner.

"Der er nu nok skrammel i skiven til at du kan danne planeter, " sagde Johnson. "Jo mere jern sammenlignet med brint, jo mere sandsynligt er det, at vi finder en Jupiter."

Det stigende forhold mellem jern og grundstoffer som ilt øgede også chancerne for at danne klippeplaneter med store kerner, ligesom Jorden. (Store kerner kan tjene mange funktioner, inklusive generering af et magnetfelt, der beskytter liv.)

Efterhånden som universet ældes, elementerne i det bliver tungere. Og på omkring 10 billioner år, når stjernedannelsen har svundet, dens sammensætning vil holde op med at ændre sig.

Der er debat om, hvor meget brint der vil være tilbage på det tidspunkt. Johnson tror, ​​at der vil være en del tilbage i det intergalaktiske medium, mens Frebel formoder, at det meste af det vil være blevet transformeret.

Men det vil stadig eksistere i en anden forstand, hun sagde, da alle grundstoffer egentlig bare er omlejringer af de brintatomer, der blev dannet i de første minutter efter Big Bang. De har sparket rundt i kosmos lige siden, i et eller andet element. Nogle endte her på jorden, hvor de udgør alt. Inklusiv os.

Den elskede astronom Carl Sagan var glad for at sige, at "vi er lavet af stjernestof."

Det er ikke alt, Fredel sagde:"Vi er også Big Bang-ting."

©2019 Los Angeles Times
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.