Заполнение периодической таблицы: нуклеосинтез элементов

Состав Вселенной — элементы, которые являются строительными блоками для каждого кусочка материи — постоянно меняется и постоянно развивается благодаря жизни и смерти звезд.

Схема того, как эти элементы образуются, когда звезды растут, взрываются, исчезают и сливаются, подробно описана в обзорной статье, опубликованной в журнале Science.

«Во вселенной произошли некоторые очень интересные изменения, когда внезапно периодическая таблица — общее количество элементов во вселенной — сильно изменилась», — говорит Дженнифер Джонсон, профессор астрономии в Университете штата Огайо и автор статьи. «В течение 100 миллионов лет после Большого взрыва не было ничего, кроме водорода, гелия и лития. А потом стали появляться углерод, кислород и другие важные элементы»

Периодическая таблица помогает людям познавать элементы Вселенной с 1860-х годов, когда Дмитрий Менделеев понял, что некоторые элементы ведут себя одинаково химически, и организовал их в систему — периодическую таблицу.

Это химический способ организации элементов, помогающий людям от начальной школы до лучших лабораторий мира понять, как элементы проявляют себя.

Как давно известно ученым, большинство элементов периодической таблицы, от самого легкого водорода до более тяжелых элементов, таких как лоуренсий, возникли в звездах. Таблица выросла, когда были открыты новые элементы — или в случае синтетических элементов — созданы в лабораториях по всему миру, — но основы, определенные Менделеевым в понимании атомного веса и строительных блоков вселенной подтвердились.

Нуклеосинтез — процесс создания новых элементов — начался с Большого взрыва, около 13,7 миллиардов лет назад. Самые легкие элементы во вселенной, водород и гелий, были также первыми результатами Большого взрыва. Но более тяжелые элементы — почти все остальные элементы периодической таблицы — в значительной степени являются продуктами жизней и смертей звезд.

Дженнифер Джонсон говорит, что звезды с большой массой, в том числе некоторые в созвездии Ориона, на расстоянии около 1300 световых лет от Земли, синтезируют элементы гораздо быстрее, чем звезды с низкой массой. Эти грандиозные звезды соединяют водород и гелий в углерод и превращают углерод в магний, натрий и неон. Звезды с большой массой умирают, взрываясь в сверхновые, выпуская элементы — от кислорода до кремния — в пространство вокруг них.

Звезды с меньшей массой — размером с наше Солнце — объединяют в своих ядрах водород и гелий. Этот гелий затем сливается с углеродом. Когда маленькая звезда умирает, она оставляет после себя белую карликовую звезду. Белые карлики синтезируют другие элементы, когда они сливаются и взрываются.

Взрывающийся белый карлик может отправить кальций или железо в пространство, окружающее его. Слияние нейтронных звезд может создать родий или ксенон. И потому, что, как и люди, звезды живут и умирают в разных временных масштабах — и потому, что различные элементы производятся, когда звезда проходит через свой жизненный путь, — состав элементов во вселенной также меняется со временем.

«Одна из вещей, которые мне больше всего нравятся в этом, — это то, что для звезд требуется несколько различных процессов, чтобы создать элементы, и эти процессы интересно распределены по периодической таблице», — говорит Дженнифер Джонсон.

«Когда мы думаем обо всех элементах во Вселенной, интересно подумать о том, сколько звезд отдали свои жизни — и не только о звездах с высокой массой, взрывающихся в сверхновые. Это также некоторые звезды, такие же, как и наше Солнце, или еще меньшие звезды. Требуется определенный диапазон звезд, чтобы дать нам все множество химических элементов.»

Jennifer A. Johnson, Populating the periodic table: Nucleosynthesis of the elements, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aau9540