Hvernig varð allt efnið í alheiminum til?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig varð allt efnið í alheiminum til?
Þess skal getið að ítarlegt svar við náskyldri spurningu, Hvernig verða frumeindir til? frá 2013 er að finna á Vísindavefnum. Hér verður reynt að koma á framfæri viðbótum og að nýta sér myndefni og framsetningu sem litið hefur dagsins ljós frá þeim tíma, auk þess að gefa yfirlit yfir myndun efnis alheimsins frá Miklahvelli (e. Big Bang). Hér gildir, frumeind = atóm.

Myndun léttustu frumeindanna frá Miklahvelli til stjörnumyndunar

Talið er að tímabilið frá Miklahvelli þar til fyrstu stjörnur og vetrarbrautir alheims hófu að myndast hafi spannað meira en 300.000 ár (mynd 1). Á fyrstu sekúndubrotum þess tíma er talið að heimurinn hafi samanstaðið af orku á formi orkusviða og massalausra einda. Vegna samverkandi áhrifa (víxlverkunar) einda við orkusvið sem kennt hefur verið við vísindamanninn P. Higgs (Higgs-sviðið)^[1] mynduðust öreindir með massa og til urðu meðal annars rafeindir, róteindir og nifteindir sem atóm efnisheimsins eru gerð úr.

Talið er að það orkuform sem myndar efnisheiminn sé einungis um það bil 4 – 5% af heildarorku alheimsins. Þann hluta má kalla hinn greinanlega (eða „sýnilega“) alheim meðan hin 95 – 96% alheimsins eru hulduefni (e. dark matter) og hulduorka (e. dark energy).

Í kjölfar myndunar grunneinda efnisheimsins átti sér stað samruni kjarnaeinda (róteinda og nifteinda) og myndun léttustu atómkjarnanna í formi jákvætt hlaðinna jóna (einkum tvær léttustu jónirnar, H⁺, He²⁺ og ögn af Li³⁺). Við frekari þenslu og kólnun efnisheimsins náðu þessar jónir að fanga neikvætt hlaðnar rafeindir og mynda tilsvarandi atóm, það er vetni (H), helín (He) og ögn af litín (Li).

Myndun þyngri frumeinda eftir myndun stjarna og vetrarbrauta

Megnið af þyngri frumeindum varð ýmist til við kjarnasamruna í stjörnum eða við kjarnabreytingar í hamförum sem fylgdu eyðingu eða sprengingu stjarna. Mynd 2 sýnir meginþróun stjarnmyndunar og umbreytingar/eyðingar þeirra, háð stærð/þyngd og mynd 3 sýnir frumefni sem fyrirfinnast í náttúrunni/á jörðinni, flokkuð eftir myndun þeirra.

Í stórum dráttum myndast atómkjarnar járns (nr. 26) og léttari frumefna í iðrum stjarna við kjarnasamruna allt frá samruna vetniskjarna/róteinda til myndunar helínkjarna, sem er nánast einvörðungu í smærri stjörnum á borð við sólina okkar,^[2] til samruna helínkjarna við krómatómkjarna (nr. 24) til myndunar járns.^[3] Slíkur kjarnasamruni er háður þrýstingi í iðrum stjarnanna sem fer eftir stærð þeirra þannig að vægi atómkjarnmyndunar þyngri atóma vex með stærð stjarna. Þá eykst myndun þyngri frumeinda í kjölfar þess að megineldsneyti stjarnanna (vetniskjarnar) klárast, en það markar endalok stjarna og myndun rauðra risa (e. red giants) eða ofurrisa (e. super red giants). Viðkomandi atómkjarnar og tilsvarandi atóm losna síðan úr læðingi þegar rauðu risarnir ýmist flosna upp (e. planetary nebula) og mynda hvíta dverga (e. white dwarfs) eða mynda sprengistjörnur sem springa (e. supernova) og geta myndað nifteindastjörnur.

Í hamförum sem fylgja endalokum stjarna, eyðingu þeirra eða umbreytingum, losnar úr læðingi gífurlega mikil orka sem getur orsakað margvíslega árekstra kjarneinda og atómakjarna og leitt til myndunar stærri atómkjarna en járns. Talið er að verulegur hluti frumeinda kolefnis (C), köfnunarefnis (N) og litíns (Li) verði til við endalok lítilla stjarna auk fjölmargra þyngri frumeinda í minna mæli (gulir reitir á mynd 3) en að súrefnisatómið (O), svo dæmi sé tekið, myndist einkum við endalok stærri stjarna. Þá er talið að léttu frumefnin beryllín (Be) og bór (B) verði einkum til við kjarnaklofnun stærri atómkjarna fyrir tilstilli geimgeislunar (bleikir reitir á mynd 3). Myndun þyngstu frumeindanna á einkum rætur sínar að rekja til sprengistjarna og myndunar nifteindastjarna (brúnir reitir á mynd 3).

Afleiðingin af ofangreindu er að efnismassi alheimsins samanstendur að mestu af léttustu frumeindunum vetni (H, 75%) og helíni (He, 23%), samanlagt um 98%. Aðrar frumeindir vega því einungis um 2% af heildarefnismassanum. Þar af vega léttu frumeindirnar, súrefni (O, 1%), kolefni (C, 0,5%), neon (Ne, 0,1%) og köfnunarefni (N, 0,1%) hvað mest.^[4][5]

Samruni atóma; myndun sameinda og efnakerfa

Myndun atómkjarna og atóma (frumeinda), eins og lýst er hér ofar, gerist að jafnaði við hátt hitastig. Myndun sameinda og efnakerfa með tengingum milli atóma gerist, að jafnaði, við lægra hitastig, ýmist við samruna efnis vegna aðdráttarkrafta í geimskýjum (e. stellar nebula) í aðdraganda stjörnumyndunar^[6] (mynd 2) eða í hnöttum (plánetum, tunglum og loftsteinum) sem myndast umhverfis sólir við myndun sólkerfa (mynd 4).

Sameindir og efnakerfi, sem myndast í og á hnöttum eru háð aðstæðum og samsetningu frumeinda við myndun og þróun þeirra. Þannig eru til dæmis einstaklega sérstæð skilyrði og frumeindasamsetningar á jörðinni með þeim hætti að efnið hefur meðal annars tekið á sig form lífríkja, samanber jurta- og dýraríki, sem að stórum hluta samanstanda af lífrænum efnum og vatni þar sem frumeindirnar kolefni (C), vetni (H), súrefni (O) og köfnunarefni (N) auk ýmissa málmjóna gegna lykilhlutverki. Meginhluti yfirborðs jarðarinnar er hins vegar gerður úr ólífrænum efnum þar sem frumefnið kísill (Si) er meginuppistaðan.^[7]

Tilvísanir:

1. ^ Michael Cooke. DOE Explains...the Higgs Boson. U.S. Department of Engergy.
2. ^ What is the Sun made of? Cool Cosmos.
3. ^ Andrew Zimmerman Jones. (2024, 1. september). Stellar Nucleosynthesis: How Stars Make All of the Elements. ThoughtCo.
4. ^ Chemical Abundances The Universe.
5. ^ Anne Helmenstine. (2022, 28. júní). Composition of the Universe – Element Abundance. Science Notes and Projects.
6. ^ Ágúst Kvaran. (2024, 13. febrúar). Finnast lífræn efnasambönd annars staðar en á jörðinni? Vísindavefurinn.
7. ^ Ágúst Kvaran. (2024, 12. febrúar). Hver er helsti munurinn á lífrænum og ólífrænum efnum? Vísindavefurinn.

Myndir:

• Mynd 1: Evolution of the Early Universe. LibreTexts Physics. Birt undir CC BY 4.0 leyfi. Íslensk þýðing ÁK. (Sótt 11.12.2024).
• Mynd 2: Star Life Cycle Chart. (Sótt 12.12.2024). Upprunalegu myndina gerði R.N. Bailey og hún er birt undir leyfinu CC BY 4.0. Íslensk þýðing ÁK.
• Mynd 3: Jennifer Johnson. Origin of the Elements in the Solar System. Science Blog from the SDSS. (Sótt 11.12.2024). Íslensk þýðing ÁK.
• Mynd 4: Formation of the Planets. Lincoln Learning Solutions. (Sótt 11.12.2024).

...