Skup zvijezde u regiji zvijezda koje se sastoje od zvijezda ogromnih masa. Neki će se jednog dana podvrgnuti izgaranju silicijuma, stvarajući željezo i mnoge druge elemente u ovom procesu. Podrijetlo najtežih elemenata, međutim, zahtijeva drugačiji postupak. (ESO / T. PREIBISCH)

Kako je bilo kad je svemir napravio svoje najteže elemente?

Najteži elementi periodične tablice imaju svoju jedinstvenu priču. Ne, ne potječu od supernove.

Kada su u pitanju elementi Svemira, svaki od njih ima svoju jedinstvenu priču. Vodik i helij nastali su u najranijim fazama Velikog praska; svjetlosni elementi poput ugljika i kisika stvaraju se u sunčevim zvijezdama; teži elementi poput silicija, sumpora i željeza stvaraju se u masivnijim zvijezdama; elementi izvan željeza nastaju kada te masivne zvijezde eksplodiraju u supernovama.

No, najmasovniji elementi svih na kraju visokog dijela periodične tablice - uključujući platinu, zlato, radon, pa čak i uran - duguju svoje podrijetlo još rjeđem i energičnijem procesu. Najteži elementi svih dolaze iz spajanja neutronskih zvijezda, činjenica je za koju se dugo sumnjalo, ali potvrđena tek 2017. Evo kozmičke priče o tome kako je Svemir tamo stigao.

Elementi periodične tablice i gdje potječu, detaljno su prikazani na gornjoj slici. Dok većina elemenata potječe uglavnom iz supernova ili spajanja neutronskih zvijezda, mnogi vitalno važni elementi nastaju, dijelom ili čak većim dijelom, u planetarnim maglicama, koje ne proizlaze iz prve generacije zvijezda. (NASA / CXC / SAO / K. DIVONA)

Kad god formirate zvijezde, one nastaju iz velikog molekularnog oblaka plina koji se sažima u različite nakupine. Klinčići postaju sve masivniji s vremenom, jer atomi i molekule iznutra zrače toplinu i dopuštaju im da se urušavaju. Na kraju postaju masivni i dovoljno gusti da se nuklearna fuzija može zapaliti u njima. Na kraju će se ti grozdovi razviti u zvijezde.

U najranijim fazama, samo vodik i helij, zvijezde su narastale do ogromne mase: obično desetke, stotine, pa čak i tisuće puta veće od Sunca. Kasnije, prisutnost težih elemenata omogućila je efikasnije hlađenje, zadržavanje prosječne mase znatno niže i ograničavanje maksimuma na samo 200-300 puta veće od našeg Sunca.

Klaster RMC 136 (R136) u maglici Tarantula u velikom magnetskom oblaku dom je najmasivnijih poznatih zvijezda. R136a1, najveći od svih njih, je preko 250 puta veća od Sunca (EUROPSKA JUŽNA OPASNOST / P. CROWTHER / C.J. EVANS)

Ipak, i danas zvijezde dolaze u širokom rasponu masa i veličina. Oni također dolaze u širokoj distribuciji. Iako su mnogi sustavi zvijezda vani slični našem - koji posjeduju samo jednu zvijezdu okruženu planetima, sustavi s više zvijezda također su vrlo česti.

Istraživački konzorcij o obližnjim zvijezdama (RECONS) pregledao je sve zvijezde koje su mogli naći unutar 25 parseksa (oko 81 svjetlosna godina), i otkrio ukupno 2.599 zvijezda. Od toga su 1533 bili sustavi s jednom zvjezdicom, ali je preostalih 1426 bilo vezano u binarni, trinarni ili čak složeniji sustav. Kao što su nam pokazala naša zapažanja, ta svojstva grupiranja neovisna su o masi. Čak i najmasovnije zvijezde mogu se naći u nizu, troje ili u većem broju.

Kada se u Svemiru događaju velika spajanja galaksija sličnih veličina, iz vodika i helija koji su prisutni u njima stvaraju se nove zvijezde. To može rezultirati snažno povećanim stopama formiranja zvijezda, slično onome što opažamo u obližnjoj galaksiji Heniz 2–10, udaljenoj 30 milijuna svjetlosnih godina. (X-RAY (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTIČKI (NASA / STSCI))

Tijekom povijesti Svemira, najmasovnija razdoblja formiranja zvijezda događaju se kada galaksije međusobno djeluju, spajaju se ili padaju u masivne skupine i grozdove. Ti će događaji gravitacijski uznemiriti vodikov plin prisutan u galaksiji, što će pokrenuti događaj poznat kao zvijezda. Tijekom pražnjenja zvijezda, taj se plin brzo pretvara u zvijezde svih masa i u ogromnim raznolikostima skupina: pojedinačno, dvojako, trostruko, sve do barem spolnih sustava.

Brojne, manje masivne zvijezde polako će gorjeti kroz svoje gorivo, živeći izuzetno dugo. Oko 80–90% zvijezda ikada stvorenih još uvijek spaja vodik u helij, i tako će i dalje raditi sve dok više nije prošlo više vremena od sadašnjeg doba svemira. Sljedeći korak u masi, zvijezdama nalik Suncu, čini veliku razliku za velik broj elemenata koji su danas prisutni u našem Sunčevom sustavu.

Različite boje, mase i veličine zvijezda glavnog niza. Najmasivniji najbrže proizvode najveće količine teških elemenata, ali manje masivni su mnogobrojniji i odgovorni su za velike frakcije elemenata niže mase koje se nalaze u prirodi. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNICI KLJUČ i LUCASVB, OBAVIJESTI E. SIEGEL)

Tijekom većeg dijela života zvijezde nalik Suncu topit će vodik u helij, dok se tijekom kasnih stadija pretvaraju u crvene divove, dok njihove jezgre spajaju helij u ugljik. Kako se evoluiraju i približavaju se kraju svog života, ove zvijezde počinju stvarati slobodne neutrone, koji počinju apsorbirati ostala jezgra prisutna u zvijezdi.

Jedan po jedan, neutroni se apsorbiraju od strane raznih jezgara, omogućavajući nam ne samo stvaranje elemenata poput dušika, već i mnogo težih elemenata koji nadilaze ono što nastaju u supernovama. Primjeri stroncija, cirkona, kositra i barija; proizvode se i manje količine elemenata poput volframa, žive i olova. Ali olovo je granica; sljedeći element prema gore je bizmut, koji je nestabilan. Čim olovo apsorbira neutron, bizmut propada, i tako smo ponovno ispod olova. Sunčeve zvijezde ne mogu nas preboljeti preko te grbine.

Planetarne maglice poprimaju širok raspon oblika i orijentacija ovisno o svojstvima zvjezdanog sustava iz kojeg proizlaze i odgovorne su za mnoge teške elemente u Svemiru. Nadmoćne zvijezde i divovske zvijezde koje ulaze u fazu planetarne maglice prikazuju kako bi kroz s-proces izgradile mnoge važne elemente periodične tablice. (NASA, ESA I HUBBLE NASLEDNJI TIM (STSCI / AURA))

Ni zvijezde ne mogu najmasovnije. Iako su poprilično malobrojni, ti kozmički behemoti predstavljaju značajan dio ukupne mase koja ulazi u stvaranje zvijezda. Te su zvijezde, unatoč tome što imaju najviše materije u sebi, kratkotrajne, jer sagorijevaju gorivo daleko brže nego bilo koje druge vrste zvijezda. Oni spajaju vodik u helij, helij u ugljik, a zatim prolaze putem periodičke tablice kako bi se željezo.

Nakon željeza, međutim, više nema kud energetski povoljan. Te zvijezde, u posljednjim trenucima, vide kako im jezgre padaju, stvarajući ili neutronske zvijezde, ili crne rupe u njihovim središtima, istovremeno pokrećući reakciju fuzije u vanjskim slojevima. Rezultat je eksplozija supernove, zajedno s nizom neutrona koji se brzo zarobljavaju, stvarajući mnoge elemente teže od željeza.

U jezgri ostatka supernove RCW 103 nalazi se vrlo sporo rotirajuća neutronska zvijezda, koja je bila masivna zvijezda koja je stigla do kraja svog života. Iako supernove mogu slati teške elemente koji su spojeni u jezgri zvijezde natrag u Svemir, to su sljedeća spajanja neutronskih zvijezda-neutrona u zvijezdama koja stvaraju većinu najtežih elemenata od svih. (X-RAY: NASA / CXC / UNIVERZITET AMSTERDAM / N.REA ET AL; OPTIČKO: DSS)

Ipak, u periodičnoj tablici postoje otvorene rupe, čak i uz sve to. Na kraju, litij, berilij i bor stvorit će se tek kada se visokoenergetske čestice koje prostruje kroz Svemir - kozmičke zrake - zalepe u jezgre, raznoseći ih razdvajajući postupkom poznatim kao spallation.

Na kraju, elementi od rubidija (element 44) i više, uključujući većinu joda, iridija, platine, zlata i svaki element teži od olova, zahtijevaju nešto drugo. Ove supernove, od kojih se mnoge pojavljuju u binarnim sustavima, vrlo će često iza sebe ostaviti neutronske zvijezde. Kad dvije ili više zvijezda idu supernove u istom sustavu, postojanje višestrukih neutronskih zvijezda povezanih zajedno dovodi do ogromne mogućnosti: spajanja binarnih neutronskih zvijezda.

U posljednjim trenucima spajanja, dvije neutronske zvijezde ne emitiraju samo gravitacijske valove, već i katastrofalnu eksploziju koja odjekne elektromagnetskim spektrom. Istovremeno, stvara niz teških elemenata prema vrlo visokom kraju periodičke tablice. (UNIVERZITET WARWICK / MARK GARLICK)

Dugo se nagađalo da će spajanje neutronskih zvijezda osigurati podrijetlo ovih elemenata, jer dvije masivne kugle neutrona koji se međusobno razbijaju mogu stvoriti beskrajnu raznolikost teških atomskih jezgara. Sigurno da bi se većina mase ovih predmeta sjedinila u objekt završne faze poput crne rupe, ali nekoliko posto ih bi trebalo izbaciti u sklopu sudara.

U 2017. godini, promatranja oba teleskopa i s gravitacijskim opservatorijama gravitacijskih valova potvrdila su da ne samo da su spajanja neutronskih zvijezda odgovorna za ogromnu većinu ovih teških elemenata, već i da se kratkoročna praska gama zraka mogu povezati i s tim spajanjem. Poznato kao kilonova, dobro se razumije da su spajanja neutronskih zvijezda i neutronskih zvijezda izvorište većine najtežih elemenata koji se nalaze u Svemiru.

Ova periodična tablica s obojenim periodom grupira elemente prema načinu na koji su proizvedeni u svemiru. Vodik i helij nastali su u Velikom prasku. Teži elementi do željeza općenito su kovani u jezgrama masivnih zvijezda. Elektromagnetsko zračenje snimljeno iz GW170817 sada potvrđuje da se elementi teži od željeza sintetiziraju u velikim količinama nakon sudara neutronskih zvijezda. Teži elementi nego što je ovdje prikazano također se generiraju spajanjem neutronskih zvijezda i neutronskih zvijezda. (JENNIFER JOHNSON; ESA / NASA / AASNOVA)

Često, kada govorimo o povijesti Svemira, raspravljamo o njemu kao da se radi o nizu događaja koji su se dogodili u određenim, dobro definiranim vremenima. Iako postoje trenuci u kozmičkoj povijesti koji se mogu tako klasificirati, životi i smrti zvijezda nisu tako lako kategorizirati.

Formiranje zvijezda povećava se prve 3 milijarde godina nakon Velikog praska, a zatim propada i postupno opada. Teški elementi prisutni su od vremena kad je Svemir bio star manje od 100 milijuna godina, ali posljednje populacije netaknutog plina nisu uništene do 2-3 godine nakon Velikog praska.

I elementi periodične tablice kontinuirano se stvaraju i uništavaju pomoću tih procesa koji se odvijaju uglavnom unutar zvijezda i u interakciji sa zvjezdanim ostacima. Izuzetno, danas znamo koliko elemenata i koje su različite vrste prisutni, ali to je priča koja je stalno u toku.

Danas obiluje elementima u Svemiru, mjereno našim Sunčevim sustavom. Ako se naša opažanja nastave poboljšavati, razumno je očekivati ​​da ćemo moći mapirati elementarna obilježja prisutna u cijeloj našoj kozmičkoj povijesti. (WIKIMEDIA ZAJEDNO KORISNIK 28BYTES)

Ipak, najteži elementi od svih stvoreni su samo kroz jedan mehanizam: spajanje neutronskih zvijezda. Naravno, supernove vas mogu dovesti do kraja periodične tablice, ali samo u beznačajnim količinama. Umiruće zvijezde nalik Suncu mogu polako pokretati stvaranje težih i težih elemenata, ali ne možete zadržati ništa izvan vodstva kroz taj postupak. Kozmički gledano, jedini način na koji stvaramo značajne količine najtežih elemenata od svih je putem inspiracije i spajanja najgušćih fizičkih objekata u poznatom Svemiru: neutronske zvijezde.

Sada kada su opservatorija gravitacijskog vala potvrdila našu kozmičku sliku ovog stvaranja, alati i tehnologija su na raspolaganju za njihovo daljnje i detaljnije istraživanje. Sljedeći korak će nam, promatrano, pokazati kako se elementarno obilje Univerzuma razvijalo u svemiru. Konačno, karta kemijske povijesti svemira nadomak je nama.

Daljnje čitanje o tome kako je izgledao Svemir kada:

  • Kako je bilo kada se svemir napuhavao?
  • Kako je bilo kad je prvi puk počeo?
  • Kako je bilo kad je svemir bio u najtoplijem trenutku?
  • Kako je bilo kad je svemir stvorio više materije nego antimaterije?
  • Kako je bilo kad je Higgs dao misu Svemiru?
  • Kako je bilo kad smo prvi put pravili protone i neutrone?
  • Kako je bilo kad smo izgubili posljednju antimateriju?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio svoje prve elemente?
  • Kako je bilo kad je Svemir prvi put stvorio atome?
  • Kako je bilo kad u Svemiru nije bilo zvijezda?
  • Kako je bilo kad su prve zvijezde počele osvjetljavati Svemir?
  • Kako je bilo kad su umrle prve zvijezde?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio drugu zvijezdu?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio prve galaksije?
  • Što je bilo kad je zvijezda prvi put probila neutralne atome Svemira?
  • Kako je bilo kad su se formirale prve supermasivne crne rupe?
  • Kako je bilo kad je život u Svemiru prvi put postao moguć?
  • Kako je bilo kad su galaksije tvorile najveći broj zvijezda?
  • Kako je bilo kad su se formirali prvi planeti nastanjeni?
  • Kako je bilo kad se kozmička mreža poprimila u obliku?
  • Kako je bilo kada je Mliječni put poprimio oblik?

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.