“De två vanligaste grundämnet i Universum — väte och dumhet.” — Harlan Ellison. Efter väte och helium, i det periodiska systemet ofta är överraskningar. Bland de mest fantastiska fakta är att varje material som vi har någonsin berört, sett, interagerar med vem, består av samma två saker: atomkärnor, positivt laddade och negativt laddade elektroner. Hur dessa atomer interagerar med varandra när de trycker, binder, attrahera och repellera, skapa en ny stabila molekyler, joner, elektronisk energi staten — som avgör skönheten i världen runt omkring oss.
Även om det är quantum och elektromagnetiska egenskaper av atomerna och deras komponenter kan vårt Universum att existera med de egenskaper som det har, är det viktigt att förstå att universum började inte med alla dessa delar. Tvärtom, hon började nästan utan dem.
Du ser, för att uppnå den mångfald av strukturer för kommunikation och för att bygga komplexa molekyler som är grunden för allt vi vet, du behöver en hel del av atomer. Inte i kvantitativa termer och i mängd, så att vi har atomer med olika antal protoner i deras atomkärnor: det är detta som gör olika delar.
Våra kroppar kräver sådana element som kol, kväve, syre, fosfor, kalcium och järn. Jordskorpan på vår Jord behöver sådana element som kisel och många andra tunga grundämnen, medan kärnan i Jorden för att producera värme som behövs i de delar nog alla över det periodiska systemet som förekommer i naturen: torium, radium, uran och även plutonium.
Men tillbaka till de tidiga stadierna av Universum före uppkomsten av människan, av liv, av vårt solsystem, för att den första fasta planeter och även de första stjärnorna — när alla vi hade var varmt, joniserat hav av protoner, neutroner och elektroner. Av atomer och atomkärnor var: universum var för varmt för detta. Det var först när universum expanderat och svalnat, det var åtminstone en viss stabilitet.
Det tog lite tid. Första kärnan har ihop, och inte längre åtskilda, att producera vätgas och dess isotoper, helium och dess isotoper, samt subtila små mängder av litium och beryllium, den senare som därefter delas upp i radioaktivt litium. Detta är vad som startade universum: genom antalet kärnor är 92% väte, 8% helium och om 0,00000001% av litium. Massa — 75-76% väte och 24-25% helium och 0,00000007% litium. I början fanns det två ord, väte och helium, i detta fall, kan vi säga att alla.
Hundratals, tusentals år senare universum svalnat tillräckligt, så att neutrala atomer bildas, och tiotals miljoner år senare, gravitationell kollaps är tillåtet att hända de första stjärnorna. Men fenomenet av kärnfusion har inte bara spillt över i Universum, men också tillåtet att bilda tunga grundämnen.
Vid tiden för födelsen av den första star, någonstans 50-100 miljoner år efter Big Bang, kopiösa mängder väte började att smälta samman till helium. Men ännu viktigare, de mest massiva stjärnorna (8 gånger tyngre än vår Sol) förbränner sitt bränsle mycket snabbt, bränna slut på bara ett par år. En gång i kärnor av sådana stjärnor som slutade väte, helium kärnan kontrakterade och började att slå ihop tre av kärnan i en atom kol. Det tog bara en biljoner av dessa tunga stjärnor i Universum (som bildas många fler stjärnor i den första några hundra miljoner år) att litium var besegrade.
Och här tror du förmodligen att kol var en del av de nummer tre i vår tid? Det kan vara trodde, eftersom stjärnor producera delar i lager, och som lök. Helium är tillverkad i kol, koldioxid till syre (och senare vid högre temperatur), syre, kisel, svavel och kisel i järn. I slutet av järn-kedja kan inte ihop på något längre, så kärnan i stjärnan exploderar och blir en supernova.
Dessa supernovor, åtgärder som lett till dem, och de konsekvenser det har berikat Universum av innehållet i de yttre skikten av stjärnan, väte, helium, kol, syre, kisel och alla tunga grundämnen som bildas vid andra processer:
- långsam neutron capture (s-processen), som genomgående bygger delar.
- nuclear fusion av helium med tunga element (med bildandet av neon, magnesium, argon, kalcium och så vidare);
- snabb neutron capture (r-processen) med bildandet av element upp till uran-och bortom.
Men vi hade mer än en generation stjärnor: vi hade en hel del av dessa, och den generation som finns nu, byggdes i första hand är inte den orörda väte och helium, men även på resterna från tidigare generationer. Detta är viktigt, för utan det skulle vi aldrig ha fasta planeter, bara gas jättar av väte och helium, som uteslutande.
Under miljarder år håller på att bildas och död stjärnor upprepas om och om igen berikad element. Istället för att bara slå ihop väte till helium, massiva stjärnor smält väte i cykeln C-N-O, med tiden, att anpassa mängderna av kol och syre (och mindre kväve).
Dessutom, när stjärnorna genomgå helium via fusion med bildandet av kol är ganska enkelt att få helium atom med bildandet av syre (och även lägga till en annan helium till syre med bildandet av neon), och även vår egen Sol kommer att göra detta under den röda jätte fas.
Men det är en dödlig steg i stjärniga smedjor, som utesluter kol av utrymmet ekvation: när stjärnan blir massiva nog att inleda carbon fusion är nödvändigt för bildandet av en supernova typ II — en process, som förvandlar gas till syre, går att misslyckas, att skapa mycket mer syre än kol, genom att tiden star redo att explodera.
När vi tittar på resterna av supernovor och planetariska nebulosor — resterna av mycket tunga stjärnor och stjärnor som liknar solen, respektive — vi tycker att syre är överlägsen kol massa och kvantitativt i varje enskilt fall. Vi fann också att ingen av de andra grundämnen som är tyngre än och inte alls värt det.
Så, väte är #1 helium #2 — dessa element i Universum väldigt mycket. Men av de återstående delarna av det syre som håller stadigt #3, följt av kol #4, ne #5, kväve #6, magnesium #7, kisel #8 strykjärn #9 och onsdag är klar topp tio.
Vad framtiden har i sitt sköte?
Efter en tillräckligt lång tidsperiod för att tusentals (eller miljontals) gånger den nuvarande Universums ålder, stjärnorna kommer att fortsätta att bilda antingen spyr bränsle i intergalaktiska rymden, eller bränna det där så är möjligt. I processen, helium kan äntligen gå förbi väte på prevalens, eller vätgas kommer att finnas kvar på den första raden, om det är tillräckligt isolerad från fusionsreaktioner. Lång distans är ett ämne som inte matas ut från vår galax kan sammanfoga igen och igen, så att kol och syre kommer att passera även helium. Kanske de element som #3 och #4 kommer att ersätta de två första.
Universum håller på att förändras. Syre är den tredje mest vanliga elementet i moderna Universum, och i en mycket avlägsen framtid, kanske skulle gå längre än väte. Varje gång du andas luften och känna tillfredsställelse från denna process, kom ihåg: stjärnorna — den enda anledningen till förekomsten av syre.