Sinds de uitvinding van het periodiek systeem 150 jaar geleden deze maand, wetenschappers hebben gewerkt om de rijen elementen in te vullen en hun eigenschappen te begrijpen.

Maar onderzoekers hebben ook een parallelle zoektocht nagestreefd:de kosmos afspeuren om erachter te komen waar alle 118 elementen vandaan kwamen.

Na eeuwen van inspanning, ze hebben vastgesteld dat de overgrote meerderheid van de elementen werd gesmeed in het vurige leven en de vreemde dood van sterren. Ze doordringen nu sterrenstelsels, de volgende generatie sterren en planeten te voorzien van chemische diversiteit.

Inderdaad, elk element op aarde - behalve enkele die recentelijk door mensen zijn gemaakt - is geërfd van de nevel die 4,5 miljard jaar geleden het leven schonk aan ons zonnestelsel. Dat omvat het ijzer in onze wolkenkrabbers, het silicium in onze computers, het goud in onze sieraden, en het calcium in onze botten.

"Er is een echte verbinding tussen onze melkweg - ons universum - en onze mensheid vanwege de elementen." zei John Cowan, een astrofysicus aan de Universiteit van Oklahoma.

Dus hoe vulde de natuur het periodiek systeem? Het verhaal begint bij het begin.

Het allereerste begin.

Binnen 15 minuten na de oerknal, waterstofatomen (atoomnummer 1) vloeiden samen uit de wolk van pasgeboren deeltjes terwijl deze uitdijde en afkoelde. Sommigen van hen combineerden snel tot helium (atoomnummer 2).

Deze twee elementen vormen nog steeds 98 procent van het universum, en ze zijn de belangrijkste ingrediënten in sterren. Een baanbrekende astronoom genaamd Cecilia Payne-Gaposchkin ontdekte dit toen ze in 1925 de eerste nauwkeurige schatting van de samenstelling van de zon publiceerde. het omverwerpen van de heersende overtuiging dat het vergelijkbaar was met dat van de aarde.

De allereerste sterren ontstonden ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal, zei Jennifer Johnson, een astronoom aan de Ohio State University die een recensie schreef over de oorsprong van de elementen in het vrijdagnummer van Science om de honderdste verjaardag van het periodiek systeem te vieren.

Deze sterren waren enorm, en gedurende miljoenen jaren, ze wekten energie op door waterstof te "verbranden" - door atomen tot helium te combineren door middel van kernfusie zoals de zon dat tegenwoordig doet.

Eventueel, echter, alle sterren hebben geen waterstof meer. Dan beginnen ze steeds zwaardere elementen te maken in een steeds hectischer tempo, het vullen van de volgende drie rijen van het periodiek systeem in het proces.

Voor een poosje, ze verbranden helium tot koolstof (atoomnummer 6) en zuurstof (atoomnummer 8). In de laatste eeuwen van het leven van een massieve ster, het zet koolstof om in elementen zoals natrium (atoomnummer 11) en magnesium (atoomnummer 12).

In de laatste weken, zuurstofatomen versmelten tot silicium (atoomnummer 14), fosfor (atoomnummer 15), en zwavel (atoomnummer 16). En in de allerlaatste dagen van het zeer lange leven van een ster, het produceert metalen zoals ijzer (atoomnummer 26).

Dat heeft iets heerlijk prozaïsch, zei Johnson. "Dat is een menselijke tijdschaal."

Vervolgens komt wat astronomen onheilspellend de 'ijzeren catastrofe' noemen. Fusie kan geen elementen combineren die zwaarder zijn dan ijzer, dus de ster heeft abrupt geen sap meer.

"Het gaat in vrije val, ' zei Johnson.

In minder dan een seconde, de ster stort op zichzelf in en explodeert vervolgens als een supernova - zijn nieuw geslagen elementen het universum in spuwen.

Supernova's kunnen ook kosmische stralen ontketenen die grotere atomen uit elkaar halen om lithium te creëren (atoomnummer 3), beryllium (atoomnummer 4) en boor (atoomnummer 5). Dit proces is de belangrijkste bron van deze elementen in het universum.

Dat de elementen tot aan ijzer in sterren werden gekookt, staat al decennia min of meer vast, dankzij het werk van de Britse astronoom Fred Hoyle. De oorsprong van de rest van de elementen was moeilijker vast te stellen.

Het begin van een antwoord kwam in een historische paper uit 1957, geschreven door Caltech-astronoom Margaret Burbidge en haar man, George, samen met Hoyle en een andere prominente wetenschapper, Willem Fowler. (De krant, die begint met de mijmeringen van Shakespeare over de sterren, is sindsdien zo beroemd geworden dat wetenschappers het simpelweg B2FH noemen, voor de initialen van de auteurs.)

Zware elementen vormen zich wanneer een zaadatoom zoals koolstof of ijzer wordt gebombardeerd met neutronen en deze in zijn kern vangt.

"Het slokt ze allemaal op, " zei Anna Frebel, een astronoom aan het MIT. "Dan is de vraag bevalt het of niet? En meestal, dat doet het niet." Dus het atoom ondergaat radioactief verval, en komt uiteindelijk naar voren als een zwaarder en stabieler element.

B2FH heeft de fysica uiteengezet voor hoe dit proces snel of langzaam kan plaatsvinden.

Een voor de hand liggende kandidaat voor het snelle proces was de chaos van een supernova. Maar de laatste jaren is wetenschappers zijn begonnen om dat idee in twijfel te trekken. "Er is waarschijnlijk niet genoeg oomph, zelfs niet in een enorme supernova-explosie om al deze elementen te creëren, ' zei Frebel.

Een deel van het bewijs komt van Frebels onderzoek naar een klein sterrenstelsel dat hopen goud en andere zware elementen bevatte. Als ze allemaal het resultaat waren van supernova's, er zouden er zoveel nodig zijn geweest dat "je de melkweg uit elkaar gaat blazen, " ze zei.

In plaats daarvan, wetenschappers beginnen een ander fenomeen te prefereren:fusies tussen neutronensterren.

Neutronensterren zijn ultradichte bollen die zijn achtergelaten na de dood van massieve sterren. Ze kunnen een diameter hebben van slechts 12 mijl en een massa tot 2,5 keer die van de zon. Zo nu en dan, twee van hen worden opgesloten in een dodelijke tango, naar elkaar toe draaien totdat ze botsen.

Deze fusies laten een regen van neutronen vrij die intens genoeg is om de zwaarste elementen in het universum te creëren, zoals uranium (atoomnummer 92) en plutonium (atoomnummer 94).

Dit idee werd in 2017 versterkt, toen de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory voor het eerst een neutronensterbotsing detecteerde. Onderzoekers bestudeerden het licht van de explosie en vonden de veelbetekenende vingerafdrukken van zware elementen, inclusief goud.

Wetenschappers moeten de relatieve rollen van superovae en neutronensterfusies nog uitzoeken. Maar Frebel zei dat wetenschappers steeds dichter bij het begrijpen van de bron van elk element komen.

"Het laatste grote gat is gedicht, "zei ze. "Dat is gewoon leuk."

De eerste fusies van neutronensterren vonden plaats nadat de eerste generatie sterren stierf, en ze spetterden de kosmos met allerlei nieuwe atomen.

Dat geldt ook voor sommige die zo onstabiel zijn dat ze tegenwoordig niet meer in ons zonnestelsel voorkomen - behalve een paar milliseconden in het laboratorium van een onderzoeker.

"Jij snuffelt helemaal door het periodiek systeem, Johnson zei. "Dus binnen ongeveer 200 miljoen jaar na de oerknal, je hebt iets van elk element gemaakt."

Maar de samenstelling van het universum bleef veranderen. In de komende 1 miljard jaar zal nieuwe kosmische processen begonnen de overvloed van bepaalde elementen te vergroten toen zich kleinere sterren begonnen te vormen.

Deze sterren zijn niet groot genoeg om iets zwaarders dan koolstof en zuurstof te produceren - of om op te blazen als enorme supernova's. In plaats daarvan, wanneer de fusie in hun kernen ophoudt, ze vervallen tot witte dwergen.

Witte dwergen kunnen botsen, veroorzaakt een op hol geslagen fusieproces dat bijna alles in de ster omzet in ijzer. "Je kunt in principe een ijzeren bom maken, ' zei Frebel.

Daarvoor, tijdens hun langdurige dood, sommige lichte sterren kunnen ook zware elementen uitbroeden. Neutronen die overblijven van hun heliumverbrandende dagen glom op de kernen van andere elementen met een snelheid van ongeveer één om de paar weken of maanden, geleidelijk aan zwaardere atomen bouwend die over het periodiek systeem schuiven.

Er zijn meer dan 100 gevangen neutronen nodig om een ​​ijzeratoom om te zetten in een zeldzaam aardelement zoals lanthaan (atoomnummer 57) of lutetium (atoomnummer 71). Echter, er zijn genoeg van deze sterren, en ze blijven lang hangen, dus ze produceren ongeveer de helft van de elementen zwaarder dan ijzer.

Een astronoom genaamd Paul Merrill vond in 1951 bewijs voor dit proces. Werkend bij het Mount Wilson Observatory boven Los Angeles, identificeerde hij het radioactieve element technetium (atoomnummer 43) in een ziekelijk, oude ster.

Wetenschappers wisten dat technetium onstabiel was en snel verging. Dat betekende dat het niet geërfd kon zijn door een ster die al miljarden jaren oud was, besefte Merrill. De enige manier waarop het element daar had kunnen komen, was als de ster het had gehaald.

Vandaag, 13,8 miljard jaar na de oerknal, sterren hebben ongeveer 2 procent van de waterstof en helium van het universum omgezet in andere elementen.

Ze bestaan ​​nu in verschillende hoeveelheden, afhankelijk van de frequentie en productiviteit van de processen die ze creëren. Platina (atoomnummer 78), bijvoorbeeld, is een miljoen keer zeldzamer dan ijzer omdat fusies van neutronensterren niet vaak voorkomen. (Dat is een reden waarom edele metalen kostbaar zijn, zei Cowan.)

De aanwezigheid van elementen zoals koolstof en zuurstof hielp de hoeken van de melkweg af te koelen, zodat kleinere sterren zoals de zon konden worden gevormd. En door het verschijnen van metalen konden zonnestelsels tevoorschijn komen uit de schijven van gas en stof die rond deze nieuwe sterren wervelden.

"Er zit nu genoeg rotzooi in de schijf waarmee je planeten kunt vormen, Johnson zei. "Hoe meer ijzer vergeleken met waterstof, hoe groter de kans dat we een Jupiter vinden."

De toenemende verhouding van ijzer tot elementen zoals zuurstof verhoogde ook de kans op het vormen van rotsachtige planeten met grote kernen, zoals de aarde. (Grote kernen kunnen vele functies vervullen, inclusief het genereren van een magnetisch veld dat het leven beschermt.)

Naarmate het universum ouder wordt, de elementen erin zullen zwaarder worden. En in ongeveer 10 biljoen jaar, wanneer de stervorming is uitgedoofd, de samenstelling ervan zal niet meer veranderen.

Er is discussie over hoeveel waterstof er dan nog over zal zijn. Johnson denkt dat er een behoorlijke hoeveelheid in het intergalactische medium zal blijven, terwijl Frebel vermoedt dat het meeste zal zijn getransformeerd.

Maar het zal nog steeds in een andere betekenis bestaan, ze zei, aangezien alle elementen eigenlijk gewoon herschikkingen zijn van de waterstofatomen die in de eerste minuten na de oerknal zijn gevormd. Sindsdien schoppen ze door de kosmos, in een of ander element. Sommigen kwamen hier op aarde terecht, waar ze alles verzinnen. Inclusief ons.

De geliefde astronoom Carl Sagan zei graag dat 'we gemaakt zijn van sterrenstof'.

Dat is niet alles, Fredel zei:"We zijn ook Big Bang-dingen."

©2019 Los Angeles Times
Gedistribueerd door Tribune Content Agency, LLC.