چگونه عناصر تشکیل شدند

چگونه برخوردهای کیهانی و انفجارهای سهمگین عناصر را ایجاد می کنند؟

تصویر بالا سحابی هلیکس نمونه ای از ستاره های کم جرم است که مرده و عناصری مانند کربن و نیتروژن را به بیرون پرتاب کرده است.

کارل سیگان، ستاره شناس معروف می گوید: “ما از مواد ستاره ای ساخته شده ایم.”

و این درست است – اتم هایی که از شما موجودی زنده می سازد، هوایی که تنفس می کنید، صفحه ای که در حال خواندن این کلمات هستید، چیزهایی که می توانید ببینید – همه چیز در آنجا، در کیهان ایجاد شده است.

این همان چیزی است که فیزیکدانان آن را ماده معمولی یا “باریونیک” می نامند. کسری از کیهان (کمتر از 5 درصد) را تشکیل می‌دهند و بقیه شامل ماده تاریک و انرژی تاریک است.

همه ی ما عناصر را در جدول تناوبی دیده ایم.

اولین عنصر بالا سمت چپ در جدول هیدروژن است با یک پروتون و الکترون قرار دارد. و در انتها عنصر اوگانسون وجود دارد، هیولایی از یک اتم که هنگام برخورد کلسیم و کالیفرنیوم در شتاب دهنده های ذرات به وجود می آید.

مسئله این است که فیزیکدانان دقیقاً نمی دانند که چگونه و کجا همه عناصر طبیعی – مانند هیدروژن، کربن و اکسیژن – ساخته شده اند.

جدول تناوبی عناصر و سرچشمه آنها.

اما جاهای خالی را پر می کنند. مشاهدات، آزمایش‌ها و مدل‌سازی‌های اخیر به طیف وسیعی از ماده‌سازان، از انفجارهای سهمگین ستارگان تا پرتوهای کیهانی که از اتم‌های منفرد منعکس می‌شوند، اشاره می‌کنند.

پس بیایید نگاهی به برخی از رویدادهای کیهانی بیاندازیم که این عناصر را به وجود آوردند، که با بیگ بنگ شروع می شود.

همجوشی بیگ بنگ

هنگامی که جهان تنها چند دقیقه پس از انفجار بزرگ منبسط شد و شروع به سرد شدن کرد، اولین بلوک های سازنده هر چیزی که می بینیم – مانند پروتون ها و نوترون ها – متولد شدند. و این ذرات برای ایجاد هسته اتم ها به هم پیوستند.

در نهایت، با ادامه سرد شدن جهان، الکترون ها به دور این هسته ها چرخیدند. بینگو! اولین اتم ها به وجود آمدند. اما تنها چند عنصر به این روش ساخته شده اند. هیدروژن و هلیوم و لیتیوم و بس.

هیدروژن هنوز هم فراوان ترین عنصر در جهان است که حدود سه چهارم عناصر موجود در جهان را تشکیل می دهد.

در این مه متراکم گاز اولیه، طی میلیون‌ها سال، اولین ستارگان شکل گرفتند که در فرآیندی به نام همجوشی هسته‌ای، هیدروژن را به هلیوم تبدیل کردند.

انفجار ستارگان بسیار بزرگ

اگر ستاره ای حداقل هشت برابر جرم خورشید باشد، هیدروژن را می سوزاند تا هلیوم ساخته شود و پس از آن کربن، نیتروژن، اکسیژن و دیگر عناصر تا آهن تشکیل می شوند.

سنگین ترین عناصر در اعماق هسته فرو می روند، هسته آن چنان بزرگ می شود که ستاره شروع به فروپاشی روی خود می کند.

در نهایت، انفجار از هسته شروع می‌شود و موج ضربه‌ای لایه‌های بیرونی ستاره را گرم می‌کند و دمای آن‌قدر زیاد می‌شود که عناصر سنگین‌تر از آهن تشکیل می‌شوند.

در این انفجار که ابرنواختر نوع دوم نامیده می شود، این عناصر به فضا پاشیده می شوند.

ستاره های کم جرم در حال مرگ

ستارگان کم جرم، مانند خورشید، با تمام شدن پفشان، عناصر سنگینی تولید می کنند.

این ستارگان به جای منفجر شدن در یک ابرنواختر، به یک غول قرمز متورم تبدیل می شوند که می تواند تا هزار برابر بزرگتر از خورشید باشد.
هلیوم برای ایجاد کربن و اکسیژن می سوزد و پس از آن تبدیل به یک سحابی سیاره‌ای میشود.

و علاوه بر آن، لیتیوم، کربن و نیتروژن، عناصر بسیار سنگین تری مانند قلع و سرب را نیز در فضای بین ستاره ای آزاد می کنند.

انفجار کوتوله های سفید

پس از مرگ یک ستاره کم جرم، چیزی که معمولاً باقی می ماند، بقایای مرده هسته آن است: یک ستاره کوتوله سفید کوچک، داغ و بسیار متراکم.

اگر یک کوتوله سفید به اندازه کافی به ستاره دیگری نزدیک باشد، می تواند گاز هیدروژن را از همسایه خود خارج کند.

با گذشت زمان، یک کفن هیدروژنی ساخته می‌شود، مشتعل می‌شود و منفجر می‌شود و کوتوله سفید را در چیزی که نو اختر کلاسیک نامیده می‌شود به زندگی بازمی‌گرداند.

بقایای یک انفجار کوتوله سفید.

عناصری مانند آهن، نیکل و روی را پراکنده می کند. این عناصر همچنین توسط یک انفجار تماشایی دیگر به نام ابرنواختر نوع Ia تولید می شوند.

برخلاف یک نواختر که ماده را از سطح کوتوله سفید شلیک می کند، کوتوله سفید ابرنواختر نوع Ia از داخل در فوران شدیدی منفجر می شود که می تواند از کهکشان میزبان خود بیشتر بدرخشد.

برهم کنش ستاره های نوترونی

هنگامی که ستاره ای با جرمی حدود 8 تا 15 برابر جرم خورشید منفجر می شود، آن نیز یک بقایای فوق متراکم از هسته درونی خود باقی می گذارد: یک ستاره نوترونی.

زمانی که امواج گرانشی حاصل از برخورد دو ستاره نوترونی در سال گذشته شناسایی شد ، مشاهدات تلسکوپ این رویداد همچنین به پر کردن برخی از جاهای خالی جدول تناوبی مبدا عناصر کمک کرد.

در حالی که فیزیکدانان تقریباً می دانستند که عناصر در دوره چهارم جدول – از پتاسیم تا کریپتون – توسط ستاره های در حال انفجار ایجاد شده اند، “بخش آخر جدول همیشه این بوده است: “خب، ما فکر می کنیم می دانیم در آنجا چه اتفاقی می افتد ” .

“با دیدن برهم کنش ستاره نوترونی، ما شاهد وقوع آن بودیم.”

نشانه نوری پرتاب شده توسط ادغام ستاره های نوترونی سرنخ هایی را ارائه می دهد که سنگین ترین عناصر طبیعی از جمله طلا، پلاتین، رادیوم، توریم و اورانیوم ممکن است در برخورد سهمگین به نام کیلونووا تولید شوند.

شکافت پرتو کیهانی

برخی از عناصر زمانی تشکیل می شوند که پرتوهای کیهانی – ذرات فوق پرانرژی که با سرعتی نزدیک به نور از فضا عبور می کنند – به اتم های بزرگ تری برخورد کرده و شکافته می شوند.

به عنوان مثال، یک پرتو کیهانی به شکل پروتون که به اتم کربن یا اکسیژن برخورد می کند، می تواند انرژی کافی برای جدا کردن آن را حمل کند.

«این باعث می شود عناصر کوچکتر و سبکتر مانند بور و بریلیوم در زباله ها باقی بمانند.

در حالی که نسبت‌های کوچکی از عناصر دیگر توسط شکافت پرتوهای کیهانی ایجاد می‌شوند، تقریباً تمام بور و بریلیم از این طریق ایجاد می‌شوند.

معمای لیتیوم گم شده

در زمین، فیزیکدانان از شتاب دهنده های ذرات برای بازسازی شرایط ستاره مانند و کشف آنچه تولید می شود استفاده می کنند.

اما یک راز وجود دارد که فیزیک هنوز توضیحی برای آن ارائه نکرده است: مشکل لیتیوم.

بر اساس برخی تخمین ها، مقدار لیتیومی که در جهان می بینیم حدود یک سوم مقداری است که باید توسط انفجار بزرگ تولید می شد.

دکتر کاراکاس گفت: «مشاهدات مقادیر هیدروژن و هلیوم و ایزوتوپ‌های آنها [که حاوی نوترون‌های اضافی هستند] با آنچه ما پیش‌بینی می‌کنیم مطابقت دارد.

این فقط لیتیوم است که اختلاف را نشان می دهد.
نقشه پس زمینه مایکروویو کیهانی کیهان
تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی اثر انگشت بیگ بنگ است. ( ارائه شده: تیم علمی ناسا/WMAP )

پس کجا ناپدید شده است؟

دکتر کاراکاس گفت که چند ایده وجود دارد.

او گفت: «شاید مسیرهای هسته‌ای که در طول انفجار بزرگ اتفاق افتاد، آن چیزی نبود که ما فکر می‌کردیم.

همچنین چیزی به نام “بیگ بنگ ناهمگن” وجود دارد.

“ما فرض می کنیم [جهان کودک] یک سوپ کاملاً مخلوط بود، اما اگر اینطور نبود، شاید این باعث اختلاف شده باشد.”

قدیمی ترین ستارگان ممکن است رازهایی را در خود داشته باشند که اخترفیزیکدانان هنوز فاش نکرده اند.

این ستارگان بیش از 13 میلیارد سال سن دارند و خیلی زود پس از انفجار بزرگ شکل گرفتند.”

آنها مدت‌هاست که وجود داشته‌اند، شاید فرآیندهایی در داخل آنها اتفاق می‌افتد که به مرور زمان مقداری از لیتیوم را کاهش داده است.

حتی اگر جدول تناوبی منشا عناصر در حال انجام است، دکتر تاکر امیدوار است که مشاهدات انواع جدیدی از انفجارها به تکمیل آن کمک کند.

ستاره شناسان هنوز شاهد مرگ یک ستاره بسیار پرجرم -یکصدتا هزار برابر خورشید- نیستند که احتمالا سیاهچاله ای را ایجاد می کند.

از آنجایی که گرانش بسیار زیاد است، ممکن است نسبت های متفاوتی از عناصر ایجاد کند.

تشکیل عناصر سنگین تر در ابرنواخترها

هیچ یک از فرآیندهای توصیف شده تاکنون هسته هایی با Z > 28 تولید نمی کند. تمام عناصر طبیعی سنگین تر از نیکل در انفجارهای فاجعه بار نادر اما تماشایی به نام ابرنواخترها تشکیل می شوند ( شکل 24.6.2 ). هنگامی که سوخت موجود در هسته یک ستاره بسیار پرجرم مصرف می شود، گرانش آن باعث می شود که در حدود 1 ثانیه سقوط کند. همانطور که هسته فشرده می شود، هسته های آهن و نیکل درون آن متلاشی می شوند و به پروتون ها و نوترون ها تبدیل می شوند و بسیاری از پروتون ها الکترون ها را برای تشکیل نوترون جذب می کنند. ستاره نوترونی حاصل ، جسمی تاریک است که آنقدر چگال است که دیگر اتم وجود ندارد. به طور همزمان، انرژی آزاد شده از فروپاشی هسته باعث می شود که ابرنواختر در چیزی که مسلماً خشن ترین رویداد در جهان است منفجر شود. نیروی انفجار بیشتر مواد ستاره را به فضا می‌برد و یک ابر غبار یا سحابی غول‌پیکر و به سرعت در حال گسترش را ایجاد می‌کند ( شکل 24.6.3 ). در طول مدت فوق‌العاده کوتاه این رویداد، غلظت نوترون‌ها به قدری زیاد است که چندین رویداد جذب نوترون رخ می‌دهد که منجر به تولید سنگین‌ترین عناصر و بسیاری از هسته‌های کمتر پایدار می‌شود. برای مثال، تحت این شرایط، یک هسته آهن-56 می تواند تا 64 نوترون را جذب کند، و برای مدت کوتاهی یک ایزوتوپ آهن فوق العاده ناپایدار را تشکیل می دهد که می تواند چندین فرآیند فروپاشی بتا را برای تولید قلع-120 انجام دهد:

شکل 24.6.3 یک ابرنواختر نمایی از بقایای ابرنواختر 1987A، واقع در ابر ماژلانی بزرگ، که هاله دایره ای بقایای در حال انبساط را نشان می دهد که در اثر انفجار ایجاد شده است. چندین رویداد جذب نوترون در طی یک انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد که هم سنگین‌ترین عناصر و هم بسیاری از هسته‌های کم‌پایدار را تشکیل می‌دهند.

اگرچه یک ابرنواختر تنها هر چند صد سال یک بار در کهکشانی مانند کهکشان راه شیری رخ می دهد، این انفجارهای نادر تنها شرایطی را فراهم می کنند که در آن عناصر سنگین تر از نیکل می توانند تشکیل شوند. نیروی انفجارها این عناصر را در سراسر کهکشان اطراف ابرنواختر توزیع می کند و در نهایت در غباری که متراکم می شود و ستاره های جدید تشکیل می دهد، اسیر می شوند. بر اساس ترکیب عنصری، خورشید ما یک ستاره نسل دوم یا سوم است. حاوی مقدار قابل توجهی از زباله های کیهانی ناشی از انفجار ابرنواخترها در گذشته دور است.

سرچشمه:
https://www.abc.net.au/news/science/2018-04-22/how-cosmic-collisions-and-epic-explosions-create-the-elements/9579502

https://www.visualcapitalist.com/visualizing-the-origin-of-elements/

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/8-ways-elements-made/

https://www.space.com/astronomers-know-what-hapens-when-neutron-stars-collide