عناصر جهان چگونه شکل گرفتند؟
سفر عناصر از اولین لحظات بیگ بنگ، زمانی آغاز می‌شود که جهان ما تنها چند ثانیه تا چند دقیقه عمر داشت.
مدلی از انفجار بزرگی که بقیه جهان را ایجاد می‌کند. (اعتبار تصویر: Getty images)
همه ما می‌دانیم که کیهان دارای مجموعه وسیعی از عناصر است، از گازهای سبک، مانند هلیوم، تا فلزات سنگین، مانند سرب. اما همه عناصر از کجا آمده‌اند؟
سفر عناصر از اولین لحظات بیگ بنگ آغاز می‌شود، زمانی که جهان ما تنها چند ثانیه تا چند دقیقه عمر داشت. در آن زمان، کل کیهان در حجمی میلیون‌ها برابر کوچکتر از امروز بود. به دلیل چگالی فوق‌العاده بالا، دمای متوسط تمام مواد موجود در جهان بیش از یک بیلیون درجه بود که برای انجام واکنش‌های هسته‌ای به اندازه کافی گرم است. در واقع، آنقدر داغ بود که حتی پروتون‌ها و نوترون‌ها نمی‌توانستند به صورت موجودات پایدار وجود داشته باشند. در عوض، جهان فقط دریایی از ذرات بنیادیتر به نام کوارک‌ها و گلوئونها بود که در حالت پلاسمای خام می‌جوشیدند.
اما جهان برای مدت طولانی به همین شکل باقی نمی‌ماند. در حال انبساط بود، یعنی در حال خنک شدن هم بود. در نهایت، کوارک‌ها می‌توانند به یکدیگر متصل شوند و اولین پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل دهند، بدون اینکه فوراً تخریب شوند. پروتون‌ها بسیار سبک‌تر از نوترون‌ها هستند که به آنها در مرحله اولیه تولید ذرات برتری داده است. زمانی که کیهان چند دقیقه‌ای از عمرش گذشته بود، برای ایجاد پروتون‌ها و نوترون‌های جدید بسیار سرد بود. بنابراین اولین ذرات سنگین تنها ذراتی بودند که جهان قرار بود بسازد (خارج از فعل و انفعالات نادر با انرژی بالا در آینده).
تا زمانی که ذرات سنگین در نهایت منجمد شدند، تقریباً شش پروتون برای هر نوترون وجود داشت. نوترون‌ها به خودی خود پایدار نیستند. آنها با نیمه عمر حدود 880 ثانیه تجزیه می‌شوند. بلافاصله، برخی از نوترون‌ها شروع به فروپاشی کردند، در حالی که بقیه شروع به اتصال به پروتون‌ها کردند تا اولین هسته‌های اتمی را تشکیل دهند. از بین تمام عناصر سبک، هلیوم-4، که از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است، دارای بیشترین انرژی اتصال است که به این معنی است که دارای آسان‌ترین شکل‌گیری و سخت‌ترین تجزیه است. بنابراین تقریباً تمام آن هلیوم صرف تولید هلیوم-4 شد.
از محاسباتی مانند این، کیهان‌شناسان می‌توانند پیش‌بینی کنند که جهان با مخلوطی از تقریباً 75٪ هیدروژن (که فقط یک پروتون خالی است)، 25٪ هلیوم و پراکندگی کوچکی از لیتیوم – که دقیقاً همان چیزی است که اخترشناسان مشاهده می‌کنند – شروع شد.
نوکلئوسنتز ستاره‌ای
مرحله بعدی در ظهور عناصر باید منتظر نسل اول ستارگان بود که تا صدها میلیون سال پس از انفجار بزرگ شروع به درخشش نکردند. ستارگان از همجوشی هسته‌ای نیرو می‌گیرند و هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کنند. این فرآیند مقدار کمی از انرژی باقی می‌ماند. اما ستارگان آنقدر هیدروژن در دسترس دارند که می‌توانند بیلیونها یا گاهی تریلیون‌ها سال بسوزند.
ستارگانی مانند خورشید نزدیک به پایان عمر خود، در عوض هلیوم را به هم جوش می‌دهند و قبل از اینکه به صورت سحابی‌های سیاره‌ای بمیرند، آن را به کربن و اکسیژن تبدیل می‌کنند. به همین دلیل است که کربن و اکسیژن در جهان بسیار فراوان است که پس از هیدروژن و هلیوم، رایج‌ترین عناصر تولید شده هستند. در واقع، اکسیژن رایج‌ترین عنصر روی زمین است، اگرچه بیشتر آن با سیلیکاتها پیوند خورده است تا زمین زیر پای شما را تشکیل دهد.
ستارگان پرجرم‌تر – آنهایی که حداقل هشت برابر خورشید جرم دارند – عناصر سنگین‌تری را در هسته خود با هم ترکیب می‌کنند. به خصوص در هفته‌ها، روزها و حتی ساعات پایانی خود، پرجرم‌ترین ستارگان جهان نیتروژن، نئون، سیلیکون، گوگرد، منیزیم، نیکل، کروم و آهن ایجاد می‌کنند.
عواقب نوکلئوسنتز
نوکلئوسنتز پایان خط تشکیل عناصر درون ستارگان است. انرژی‌های شدید آنها کاملاً قادر به تولید عناصر سنگین‌تر هستند، اما ترکیب هر چیزی که بالاتر از آهن باشد، انرژی را به جای تولید آن کاهش می‌دهد، بنابراین آن عناصر سنگین‌تر به ندرت در هسته ستاره‌های پرجرم ظاهر می‌شوند.
در عوض، بقیه عناصر جدول تناوبی هنگام مرگ ستارگان تولید می‌شوند که این کار را توسط روش‌های مختلف جذاب، پیچیده و دیدنی انجام می‌دهند. ستارگان کوچکتر به آرامی خود را به سمت بیرون می‌چرخانند، و بقایای خود را در سراسر منظومه‌های ستاره‌ای خود پرتاب می‌کنند. ستارگان بزرگتر در فرایند شدیدی منفجر می‌شوند که به نام ابرنواختر شناخته می‌شود. هر دو نوع مرگ بقایایی به جا می‌گذارد. در مورد ستارگان کوچک، کوتوله‌های سفید باقی می‌مانند که تقریباً تماماً از کربن و اکسیژن ساخته شده‌اند. ستارگان بزرگتر کره‌های بسیار متراکمی از نوترون‌ها به جا می‌گذارند که به عنوان ستاره‌های نوترونی شناخته می‌شوند.
گاز یک ستاره همدم می‌تواند بر روی یک کوتوله سفید بیفتد و باعث شود که نوع انفجار ابرنواختری خودش را ایجاد کند. ستارگان نوترونی می توانند با یکدیگر برخورد کنند و در رویدادی به نام کیلونووا مقدار زیادی انرژی آزاد کنند.
مهم نیست چه اتفاقی می‌افتد، همه این فرآیندها شامل تابش زیاد، انرژی زیاد و ذرات زیادی هستند که با سرعت بالا در حال پرواز هستند (به عبارت دیگر، سوپ عالی برای شکل دادن به عناصر جدید). از طریق همین فرایندها بود که بقیه جدول تناوبی به وجود آمد.
همچنین توسط این رویدادهای پرانرژی است که این عناصر فراتر از محدوده ستارگان اصلی خود گسترش می‌یابند و به ترکیب بین ستاره‌ای می‌رسند. در آنجا، این عناصر به ابرهای گازی جدید می‌پیوندند که در نهایت به هم پیوسته و نسلهای جدیدی از ستارگان را تشکیل می‌دهند که روند بازیافت و بازسازی عناصر را ادامه می‌دهند و به آرامی جهان را غنی می‌کنند.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
How did the universe’s elements form?
By Paul Sutter
https://www.space.com/how-did-universe-elements-form