إن فهم الأصل الكوني لجميع العناصر الأثقل من الهيدروجين يمكن أن يمنحنا نافذة قوية في ماضي الكون ، وكذلك نظرة ثاقبة على أصولنا. صورة الائتمان: مستخدم ويكيميديا ​​كومنز.

أندر عناصر الضوء في الكون

هناك فجوة كبيرة بين الهيليوم والكربون. تعال اكتشف لماذا!

"والأرجون ، الكريبتون ، النيون ، الرادون ، زينون ، الزنك والروديوم ،
والكلور والكوبالت والكربون والنحاس والتنغستن والقصدير والصوديوم.
هذه هي الوحيدة التي جاءت الأخبار إلى جامعة هارفارد ،
وقد يكون هناك العديد من الآخرين ، لكنهم لم يتجاهلوا ".
توم ليرر

بعد الانفجار الكبير مباشرة ، قبل أن تتشكل النجوم الأولى في الكون ، كان الكون يتكون من الهيدروجين (العنصر رقم 1) والهيليوم (العنصر رقم 2) ولا شيء آخر كثيرًا. على الرغم من نشأت من حالة حارة وكثيفة بشكل لا يصدق ، لم يتم إنشاء عناصر ثقيلة بشكل تعسفي في وقت مبكر بنفس الطريقة التي صنعت بها اليوم في النجوم. على الرغم من كونها ساخنة بدرجة تكفي لصنع أي شيء ، فإن الكون المبكر لا يجعل شيئًا تقريبًا لسبب واحد بسيط: إذا كان الجو حارًا وكثيفًا بما يكفي لدمج العناصر معًا في المراحل المبكرة جدًا ، فقد كان أيضًا ساخنًا بدرجة كافية لتفجير تلك العناصر المركبة بصرف النظر مرة أخرى.

فقط عندما يبرد الكون بما فيه الكفاية بحيث لا تنفصل العناصر فورًا - أكثر من ثلاث دقائق بقليل - يمكننا بناء طريقنا على الطاولة الدورية.

سلسلة تفاعل التخليق النووي الأولي التي تنتج الديوتيريوم والهيليوم 3 والهيليوم 4 في أوائل الكون. رصيد الصورة: جوانا كوميدر ، مستخدم ويكيميديا ​​كومنز ، مع التعديلات التي أجراها إي سيجل.

ولكن حتى بعد بضع دقائق فقط ، تكون الظروف منخفضة للغاية في الطاقة لدرجة أن 99.999999٪ من العناصر تتسرب إلى الهيليوم. ونحن لا نجعل أي شيء جديد وراء ذلك حتى نبدأ في تشكيل النجوم. على الرغم من أن المرحلة الأولى من حرق النجوم تنطوي دائمًا على دمج الهيدروجين في الهيليوم في قلب النجم ، إلا أن النجوم الضخمة بدرجة كافية (أكثر من 40 في المائة ككثافة شمسنا) ستنشئ في النهاية طريقها إلى الطاولة الدورية:

  • عندما ينفد النجم من وقود الهيدروجين ، ينقبض ويتصاعد.
  • عندما تصل درجة الحرارة إلى حوالي 100 مليون كلفن ، تشتعل الهيليوم.
  • مع هذا الاشتعال ، يبدأ حرق الهيليوم ، حيث تلتحم ثلاث ذرات من هيليوم معًا لتكوين الكربون (العنصر رقم 6) ، لتحرير الطاقة في العملية.
مجموعة نجوم جديدة مليئة بالنجوم العملاقة الزاهية التي تنتج كميات وفيرة من الكربون (وأكثر) في قلبها. رصيد الصورة: ESO / G. Beccari ، عبر http://www.eso.org/public/images/eso1422a/.

هذه هي العملية التي تلعبها النجوم العملاقة الحمراء ، حيث تخلق النجوم الضخمة عناصر مثل النيتروجين والأكسجين والنيون والمغنيسيوم والسليكون والكبريت والحديد والكوبالت والنيكل. بالإضافة إلى ذلك ، ينتج عن حرق النجوم أيضًا نيوترونات مجانية ، والتي يمكن أن تتحد مع العناصر الموجودة مسبقًا لتسلق الجدول الدوري عنصر واحد في كل مرة ، وصولًا إلى عناصر مثل الرصاص والبزموت (العنصران # 82 و # 83). وأخيراً ، سوف تموت النجوم الأكثر ضخامة في انفجار سوبر نوفا مذهل ، مما يؤدي إلى تفاعل انصهار هارب - من حيث المبدأ - ينبغي أن ينتج كل شيء معروف في الجدول الدوري وما بعده ، مما يخلق كل عنصر ممكن.

السديم من بقايا السوبرنوفا W49B ، لا يزال مرئيًا في الأشعة السينية والأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء. صورة الائتمان: الأشعة السينية: NASA / CXC / MIT / L.Lopez et al .؛ الأشعة تحت الحمراء: بالومار. راديو: NSF / NRAO / VLA.

كل عنصر ممكن ، وهذا هو ، باستثناء ثلاثة تخطينا. كما ترى ، يبدأ الكون بالهيدروجين والهيليوم ، وكل النجوم تنتج الهيليوم ، ثم النجوم فوق عتبة كتلة معينة تنتج الكربون والنيتروجين والأكسجين والكثير من العناصر الأثقل. لكن الكربون كان بالفعل عنصر # 6 ؛ ماذا عن الليثيوم والبريليوم والبورون (العناصر رقم 3 و 4 و # 5)؟ عندما ننظر إلى الكون والنظام الشمسي ، ونتساءل عن وفرة العناصر ، نلاحظ وجود فجوة هائلة بين الهليوم والكربون ، مثل تلك العناصر الثلاثة يتم قمعها بشكل لا يصدق.

رصيد الصورة: ميغا هرتز مستخدم ويكيميديا ​​، مع بيانات من Katharina Lodders (2003). مجلة الفيزياء الفلكية 591: 1220-1247.

لا يمكنك تكوين هذه العناصر عن طريق دمج العناصر الأخف معًا ، حيث أن إضافة الهيدروجين إلى الهيليوم من شأنه أن يخلق الليثيوم 5 ، وهو أمر غير مستقر ، وإضافة اثنين من الهيليوم معًا سيخلقان البريليوم -8 ، وهو أمر غير مستقر. (في الواقع ، جميع النوى ذات الكتلة من 5 أو 8 غير مستقرة.) لا يمكنك صنعها من ردود فعل نجمية تشتمل على عناصر مثل الكربون أو أعلى ، نظرًا لأن هذه العناصر تخلق فقط عناصر أثقل وليس عناصر أخف. في الواقع ، لا يمكنك تكوين أول عنصر أثقل من الهليوم في النجوم على الإطلاق.

نموذج لخلية نباتية ذات جدران خلوية أولية وثانوية. بدون البورون ، لن تكون جدران الخلايا النباتية موجودة. رصيد الصورة: كارولين دال ، بموجب ترخيص c.c.a.-s.a.-3.0.

ومع ذلك ، لا يوجد الليثيوم والبريليوم والبورون فقط ، ولكن البورون على وجه الخصوص أمر حيوي للحياة كما نعرفها على الأرض. بدون البورون ، لن يكون هناك شيء مثل جدار الخلية ، وبالتالي ، لا يوجد شيء مثل النبات. (بالنسبة للبعض منا قد لا غنى عن بطاريات الليثيوم في هواتفنا المحمولة!)

ومع ذلك توجد النباتات ، والليثيوم والبريليوم والبورون موجودون ، وهكذا بطريقة ما ، لا بد من إنشاء هذه العناصر. المفاتيح ، صدقوا أو لا تصدقوا ، هي أكثر المصادر حيوية للجسيمات في الكون: الثقوب السوداء ، النجوم النيوترونية ، المستعرات الأعظم والمجرات النشطة. عندما تشتعل هذه الكوارث الكونية أو تصبح نشطة أو حتى تنفجر ، فإنها لا تنبعث منها جزيئات فقط. تنبعث منها أعلى جزيئات الطاقة في الكون المعروف.

الصورة الائتمان: ناسا / JPL-Caltech. شاندرا / سبيتزر / هابل مركب من كاسيوبيا بقايا السوبرنوفا.

وعندما تضرب تلك الجسيمات النشطة (المعروفة بالأشعة الكونية) عنصرًا أثقل - عنصر تم إنشاؤه في نجمة - يمكنها تفكيكه بعيدًا ، مما يخلق سلسلة من الجسيمات ذات الكتلة المنخفضة. هذه العملية ، المعروفة باسم spallation ، هي كيفية تكوين الليثيوم والبريليوم والبورون الموجود على الأرض ، والسبب الوحيد لإيجاد هذه العناصر على كوكبنا. هذه العناصر الثلاثة هي إلى حد بعيد أندر العناصر الخفيفة ، وهذه العملية هي السبب الوحيد لوجودها على الإطلاق. في المرة القادمة التي ترى فيها نباتًا ، لا تفكر فقط في القصة التطورية التي سمحت لها أن تكون كذلك ، بل القصة الكونية التي مكّنت العناصر الأساسية من وجودها. من دون الأحداث الأكثر كارثية وحيوية في الكون ، فإن ثلاثة من أخف العناصر ، الليثيوم والبريليوم والبورون ، لن تكون ببساطة.

ظهر هذا المنشور لأول مرة في فوربس ، ويتم إحضاره لك مجانًا من قبل مؤيدي باتريون. التعليق على منتدانا ، وشراء كتابنا الأول: ما وراء المجرة!