Egy fiatal csillagfürt egy csillagképző régióban, amely hatalmas különféle tömegű csillagokból áll. Néhányuknak valamikor szilícium-égésen megy keresztül, vasat és sok más elemet előállítva a folyamatban. A legnehezebb elemek eredete azonban eltérő folyamatot igényel. (ESO / T. PREIBISCH)

Milyen volt, amikor az univerzum elkészítette a legnehezebb elemeit?

A periódusos rendszer legnehezebb elemeinek megvan a saját egyedi története. Nem, nem szupernóvából származnak.

Ami az Univerzum elemeit illeti, mindegyiknek megvan a saját egyedi története. A hidrogént és a héliumot a Big Bang legkorábbi szakaszaiban hozták létre; fényelemek, mint a szén és az oxigén, a Napszerű csillagokban jönnek létre; a nehezebb elemek, például a szilícium, kén és vas, masszívabb csillagokban keletkeznek; a vason kívüli elemek akkor készülnek, amikor ezek a hatalmas csillagok felrobbannak a szupernóvákban.

A periódusos rendszer legmagasabb pontján levő legtömegebb elemek - köztük a platina, az arany, a radon és még az urán is - eredete egy még ritkább, energikusabb folyamatnak köszönhető. A legnehezebb elemek a neutroncsillagok összeolvadásából származnak, ezt a tényt hosszú időn át gyanították, de csak 2017-ben erősítették meg. Íme a kozmikus történet arról, hogy az Univerzum oda került.

A periódusos rendszer elemeit, és azok származási helyét, a fenti ábra részletezi. Míg a legtöbb elem elsősorban szupernóvákból vagy összeolvadó neutroncsillagokból származik, sok létfontosságú elem részben vagy akár nagyrészt a bolygó-ködökben jön létre, amelyek nem a csillagok első generációjából származnak. (NASA / CXC / SAO / K. DIVONA)

Amikor csillagokat képeznek, azok egy nagy molekuláris gázfelhőből származnak, amely különféle csomókká alakul. A csomók az idő múlásával egyre tömegebbé válnak, mivel a benne lévő atomok és molekulák hőt sugároznak, és lehetővé teszik, hogy összeomlanak. Végül hatalmas és elég sűrűvé válnak, hogy a magfúzió meggyulladjon bennük. Végül ezek a csomók csillagokká alakulnak.

A legkorábbi szakaszokban, csak hidrogénnel és héliummal, a csillagok hatalmas tömegre nőttek: jellemzően a Nap tömegének tíz-, száz- vagy akár többszörösére is. Később a nehezebb elemek jelenléte lehetővé tette a hatékonyabb hűtést, az átlagos tömeget sokkal alacsonyabb szinten tartva, és a maximumot csak 200–300-szor korlátozva, mint a Napunk.

Az RMC 136 (R136) klaszter a Tarantula-ködben, a Nagy Magellán-felhőben otthont ad az ismert hatalmas csillagoknak. Az R136a1, közülük a legnagyobb, a Nap tömegének több mint kétszerese. (EURÓPAI DÉL-FELÜGYELET / P. CROWTHER / CJ EVANS)

A csillagok még ma is nagyon sokféle tömegben és méretben vannak. Különféle disztribúciók is kaphatók. Noha az ottani csillagrendszerek nagy része hasonló a sajátunkhoz - ha csak egy csillag van bolygókkal körülvéve -, a többcsillagos rendszerek szintén rendkívül általánosak.

A Közeli Csillagok Kutatókonzorciuma (RECONS) megvizsgálta az összes csillagot, amelyet 25 parcellán belül (körülbelül 81 fényév alatt) találtak meg, és összesen 2959 csillagot fedez fel. Ezek közül 1533 egycsillagos rendszerek voltak, a fennmaradó 1426 pedig bináris, trináris vagy még bonyolultabb rendszerekbe volt kötve. Amint megfigyeléseink megmutatták nekünk, ezek a csoportosítási tulajdonságok függetlenek a tömegtől. Még a legtömegebb csillagokat is általában kettős, három vagy még nagyobb számban lehet csoportosítani.

Amikor az Univerzumban hasonló méretű galaxisok fúziója következik be, új csillagokat képeznek a benne levő hidrogén- és héliumgázból. Ez erőteljesen megnövekedett csillagképződéshez vezethet, hasonlóan ahhoz, amit megfigyelünk a közeli Henize 2-10-es galaxisban, amely 30 millió fényévnyire van. (Röntgen (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RÁDIÓ (NRAO / AUI / NSF); OPTIKAI (NASA / STSCI))

Az univerzum története során a csillagképződés legtömegesebb időszakai akkor fordulnak elő, amikor a galaxisok kölcsönhatásba lépnek, összeolvadnak, vagy hatalmas csoportokba és klaszterekbe esnek. Ezek az események gravitációs szempontból zavarják a galaxisban jelenlévő hidrogéngázt, és ez egy csillagkitörésnek nevezett eseményt vált ki. A csillagszórás során ez a gáz gyorsan átalakul minden tömeg csillagává és hatalmas fajtájú csoportokban: egyedülállók, bináris fájlok, trináriumok, egészen legalább a szexuális rendszerig.

A több, kevésbé masszív csillag lassan ég, és rendkívül hosszú ideig él. A valaha létrehozott csillagok kb. 80–90% -a továbbra is hidrogénnel olvad a hidrogénnel, és addig is ezt fogja tenni, amíg az Univerzum jelenlegi korszakán eltelt idő eltelt. A következő lépés a tömegben, a Nap-szerű csillagok felé nagy különbséget jelent a Naprendszerünkben jelen lévő elemek nagy megfordulásakor.

Különböző színű, tömegű és méretű fő sorozatú csillagok. A legtömegebbek a leggyorsabban termelik a legtöbb nehéz elemet, ám a kevésbé tömegesek sokkal többek és felelősek a természetben található alacsonyabb tömegű elemek nagy frakcióiért. (A WIKIMEDIA KIEFF ÉS LUCASVB FELHASZNÁLÓI, KÖZÖS FELHASZNÁLÓK, E. SIEGEL ÉSZREVÉTELEK)

Életük nagy részében a Napszerű csillagok hidrogént héliumba olvadnak össze, míg a késői szakaszban vörös óriásokká duzzadnak, magjaik pedig a héliumot szénré biztosítják. Ahogy fejlődnek, és életük végére közelednek, ezek a csillagok szabad neutronokat termelnek, amelyeket elkezdenek felszívni a csillagban lévő többi mag.

Egyrészt a neutronokat számos atommag abszorbeálja, amely lehetővé teszi számunkra, hogy ne csak elemeket hozzunk létre, például nitrogént, hanem nehezebb elemeket is, amelyek túlmutatnak a szupernóvákban. Példaként említhető a stroncium, a cirkon, az ón és a bárium; kisebb mennyiségű elem előállítása, például volfrám, higany és ólom. De az ólom a határ; a következő elem felfelé a bizmut, amely instabil. Amint az ólom elnyeli a neutronot, a bizmut bomlik, és így visszatérünk az ólom alá. A napszerű csillagok nem tudnak minket átjutni ezen a púpon.

A bolygós ködök sokféle formát és irányt kapnak, attól függően, hogy mely csillagrendszer tulajdonságai származnak, és felelősek az univerzum sok nehéz eleméért. A bolygó-köd fázisába belépő supergán csillagok és óriáscsillagok egyaránt bemutatják a periódusos rendszer sok fontos elemét az s-folyamaton keresztül. (NASA, ESA, ÉS A CSALÁDOS ÖRÖKSÉG CSOPORT (STSCI / AURA))

A legtömegebb csillagok sem. Noha ezek száma nagyon kicsi, ezek a kozmikus behemótok a csillagképződésbe kerülő teljes tömeg jelentős hányadát teszik ki. Ezek a csillagok annak ellenére, hogy a legtöbb anyag benne vannak, a legrövidebb élettartamúak, mivel sokkal gyorsabban égnek üzemanyagukon, mint bármelyik más csillagotípus. Megolvasztják a hidrogént a héliumba, a héliumot a szénbe, majd a periódusos asztal vasúti készítéséhez vezetnek.

A vas után azonban sehol sem mehet, ami energiával kedvező. Ezek a csillagok a végső pillanatokban úgy látják, hogy magjai felrobbannak, akár neutroncsillagokat vagy fekete lyukakat hoznak létre középpontjaikban, miközben a külső rétegekben elszivárgó fúziós reakciót váltanak ki. Ennek eredményeként szupernóva-robbanás kapcsolódik egy olyan neutronok gátjával, amelyek gyorsan elfognak, és sok elem nemesebb, mint a vas.

Az RCW 103 szupernóvamaradvány közepén egy nagyon lassan forgó neutroncsillag van, amely hatalmas csillag volt élettartama végén. Míg a szupernóvák olyan nehéz elemeket küldhetnek vissza, amelyek egy csillag magjában megolvadtak, vissza az univerzumba, az ezt követő neutron csillag-neutron csillagok egyesülései képezik az összes legnehezebb elemének többségét. (X-RAY: NASA / CXC / AMSTERDAM EGYETEM / N.REA ET AL; OPTIKAI: DSS)

A periódusos rendszerben még ennek ellenére is vannak nyílások. Az alsó végén a lítium, a berillium és a bór csak akkor alakul ki, amikor az Univerzumon átcsapódó nagy energiájú részecskék - kozmikus sugarak - a magokba csapódnak, és szétbontják őket egy szolatációnak nevezett eljárás útján.

A csúcspontban a rubídiumtól kezdve (44 elem) és felfelé, beleértve a jód, az irídium, a platina, az arany és az ólomnál nehezebb elemek többségét más igénylik. Ezek a szupernóvák, amelyek közül sok a bináris rendszerekben fordul elő, nagyon gyakran elhagyják a neutroncsillagokat. Amikor két vagy több csillag szupernóvává válik ugyanabban a rendszerben, több összekapcsolt neutroncsillag létezése óriási lehetõséget eredményez: egy bináris neutroncsillagok összeolvadását.

Az egyesülés utolsó pillanataiban a két neutroncsillag nem csupán a gravitációs hullámokat bocsátja ki, hanem egy katasztrófás robbanást is, amely visszhangzik az elektromágneses spektrumon. Egyidejűleg fordulat nehéz elemeket generál a periódusos rendszer legmagasabb vége felé. (A WARWICK EGYETEM / MARK GARLICK)

Hosszú ideig arra gondoltak, hogy a neutroncsillagok összeolvadása biztosítja ezeknek az elemeknek az eredetét, mivel az egymással összetörő két hatalmas neutrongömb végtelen sokféleséget hozhat létre a nehéz atommagok között. Persze, ezeknek a tárgyaknak a tömege nagy részben beleolvad egy végső szakaszba, mint egy fekete lyuk, de néhány százalékot ki kell dobni az ütközés részeként.

2017-ben mind a távcsövekkel, mind a gravitációs hullámmegfigyelő intézetekkel végzett megfigyelések megerősítették, hogy ezeknek a nehéz elemeknek túlnyomó többségében nemcsak a neutroncsillag-összefonódások felelősek, hanem ezekhez az összefonódásokhoz is kapcsolódhat a rövid távú gamma-sugárzás. Ma, mint kilonova néven ismert, köztudott, hogy a neutron csillag-neutron csillagok összeolvadása az univerzumban található legnehezebb elemek többségének eredete.

Ez a színkódolt periódusos rendszer az elemeket az univerzumban való előállításuk módja szerint csoportosítja. A hidrogén és a hélium a Nagyrobbanásból származik. A vasig terjedő súlyosabb elemeket általában a hatalmas csillagok magjában kovácsolják. A GW170817-ből elfoglalt elektromágneses sugárzás megerősíti, hogy a vasnál nehezebb elemek nagy mennyiségben szintetizálódnak a neutroncsillagok következményeiben. Az itt ábrázoltnál nehezebb elemek szintén neutroncsillag-csillag-összeolvadások során keletkeznek. (JENNIFER JOHNSON; ESA / NASA / AASNOVA)

Gyakran, amikor az Univerzum történetéről beszélünk, úgy beszélünk róla, mintha olyan esemény sorozat lenne, amely konkrétan megtörtént, jól meghatározott időkben. Noha a kozmikus történelemben vannak olyan pillanatok, amelyek így osztályozhatók, a csillagok életét és halálát nem könnyű kategorizálni.

A csillagképződés a Big Bang után az első 3 milliárd évvel növekszik, aztán leesik, és fokozatosan csökken. Nehéz elemek vannak jelen abban az időben, amikor az univerzum kevesebb, mint 100 millió éves volt, ám az érintetlen gázpopulációkat csak a nagy robbanás után 2–3 milliárd évvel pusztították el.

És a periódusos rendszer elemeit folyamatosan hozzák létre és pusztítják el ezek a folyamatok, amelyek többnyire a csillagok belsejében és az egymással kölcsönhatásba lépő csillagmaradványokban zajlanak. Figyelemre méltó, hogy ma tudjuk, hogy hány elem és milyen különféle típusok vannak jelen, de ez egy történet, amely folyamatosan változik.

Az elemek jelenléte az univerzumban napjainkban, a Naprendszerünkre mérve. Ha megfigyeléseink tovább javulnak, akkor ésszerű elvárni, hogy képesek legyenek feltérképezni a kozmikus történelem során jelen lévő elemi bőségeket. (A WIKIMEDIA KÖZÖS FELHASZNÁLÓJÁN 28 BYTT)

Azonban a legnehezebb elemeket egyedül egy mechanizmus révén hozták létre: a neutroncsillagok összeolvadása. Persze, a szupernóvak egészen a periódusos tábláig eljuthatnak, de csak jelentéktelen mennyiségben. A haldokló naptagú csillagok lassan megnehezítik a nehezebb és nehezebb elemek létrehozását, ám ezen a folyamaton keresztül nem vezethet semmit az ólomon túl. Kozmikus szempontból az egyetlen módszer, amellyel az összes legnehezebb elemének jelentős mennyiségét képezzük, az ismert világegyetem sűrűbb fizikai objektumainak, a neutroncsillagoknak a begyűjtésével és egyesítésével.

Most, hogy a gravitációs hullámmegfigyelő intézetek megerősítették ennek a teremtésnek a kozmikus képét, az eszközök és a technológia kéznél vannak azok további és részletesebb vizsgálatához. A következő lépés megfigyelésként megmutatja nekünk, hogy az Univerzum elemi bősége hogyan alakult ki az űrben. Végül elérhetõségünkben van egy térkép az univerzum kémiai történetérõl.

További információ arról, hogy milyen volt az Univerzum, amikor:

  • Milyen volt, amikor az univerzum felfújódott?
  • Milyen volt, amikor először kezdődött a Nagyrobbanás?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum volt a legforróbb?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum először több anyagot hozott létre, mint az antianyag?
  • Milyen volt, amikor a Higgs tömeget adott az Univerzumnak?
  • Milyen volt, amikor először protonokat és neutronokat készítettünk?
  • Milyen volt, amikor elveszítettük az utolsó antianyagunkat?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum elkészítette első elemeit?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum először atomokat készített?
  • Milyen volt, amikor az univerzumban nem voltak csillagok?
  • Milyen volt, amikor az első csillagok világossá váltak?
  • Milyen volt, amikor meghalt az első csillag?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum elkészítette a csillagok második generációját?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum készítette az első galaxisokat?
  • Milyen volt, amikor a csillagfény először áttörött az univerzum semleges atomjain?
  • Milyen volt, amikor az első szupermasszív fekete lyukak kialakultak?
  • Milyen volt az, amikor az élet a világegyetemben először lehetővé vált?
  • Milyen volt, amikor a galaxisok alkották a legtöbb csillagot?
  • Milyen volt, amikor az első lakható bolygók kialakultak?
  • Milyen volt, amikor a kozmikus web kialakult?
  • Milyen volt, amikor a Tejút alakult ki?

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.