Das Verständnis des kosmischen Ursprungs aller Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, kann uns ein starkes Fenster in die Vergangenheit des Universums sowie einen Einblick in unsere eigenen Ursprünge geben. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Cepheus.

Die seltensten Lichtelemente im Universum

Es gibt eine große Lücke zwischen Helium und Kohlenstoff. Finde heraus warum!

„Und Argon, Krypton, Neon, Radon, Xenon, Zink und Rhodium und Chlor, Kobalt, Kohlenstoff, Kupfer, Wolfram, Zinn und Natrium. Dies sind die einzigen, von denen die Nachricht nach Harvard gekommen ist, und es mag viele andere geben, aber sie waren nicht abwegig. “ -Tom Lehrer

Unmittelbar nach dem Urknall, bevor sich die ersten Sterne im Universum bildeten, bestand das Universum aus Wasserstoff (Element Nr. 1), Helium (Element Nr. 2) und so ziemlich nichts anderem. Obwohl sie aus einem unglaublich heißen, dichten Zustand stammen, wurden willkürlich schwere Elemente nicht so früh erzeugt, wie sie heute in Sternen hergestellt werden. Obwohl das frühe Universum heiß genug ist, um so ziemlich alles zu machen, macht es aus einem einfachen Grund fast nichts: Wenn es heiß und dicht genug war, um Elemente in den frühen Stadien miteinander zu verschmelzen, war es auch heiß genug, um diese zusammengesetzten Elemente zu sprengen wieder auseinander.

Erst wenn sich das Universum so weit abgekühlt hat, dass die Elemente nicht sofort getrennt werden - etwas mehr als drei Minuten später -, können wir uns den Weg ins Periodensystem bahnen.

Die anfängliche Reaktionskette der Nukleosynthese, die im frühen Universum Deuterium, Helium-3 und Helium-4 produziert. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzerin Joanna Kośmider, mit Modifikationen von E. Siegel.

Aber selbst nach wenigen Minuten sind die Bedingungen so energiearm, dass 99,999999% der Elemente Helium abgeben. Und darüber hinaus machen wir nichts Neues, bis wir anfangen, Sterne zu bilden. Obwohl die erste Stufe der Sternverbrennung immer darin besteht, Wasserstoff im Kern eines Sterns zu Helium zu verschmelzen, werden die Sterne, die massereich genug sind (mehr als 40% so massereich wie unsere Sonne), irgendwann ihren Weg in das Periodensystem finden:

  • Wenn der Kern des Sterns keinen Wasserstoff mehr hat, zieht er sich zusammen und erwärmt sich.
  • Wenn es eine Temperatur von ungefähr 100 Millionen K erreicht, entzündet sich das Helium.
  • Mit dieser Zündung beginnt die Verbrennung von Helium, bei der drei Heliumatome zu Kohlenstoff (Element Nr. 6) verschmelzen und dabei Energie freisetzen.
Ein neuer Sternhaufen voller heller, riesiger Sterne, die in ihren Kernen reichlich Kohlenstoff (und mehr) produzieren. Bildnachweis: ESO / G. Beccari, über http://www.eso.org/public/images/eso1422a/.

Dies ist der Prozess, der bei roten Riesensternen abläuft, wobei massereichere Sterne Elemente wie Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Magnesium, Silizium, Schwefel und Eisen-Kobalt-Nickel erzeugen. Darüber hinaus erzeugt die Sternverbrennung auch freie Neutronen, die mit den bereits vorhandenen Elementen kombiniert werden können, um das Periodensystem einzeln bis hin zu Elementen wie Blei und Wismut (Elemente Nr. 82 und Nr. 83) zu erklimmen. Und schließlich sterben die absolut massereichsten Sterne bei einer spektakulären Supernova-Explosion, was zu einer außer Kontrolle geratenen Fusionsreaktion führt, die im Prinzip alles produzieren sollte, was im Periodensystem und darüber hinaus bekannt ist, und jedes mögliche Element hervorbringt.

Der Nebel aus dem Supernova-Rest W49B, der noch in Röntgen-, Radio- und Infrarotwellenlängen sichtbar ist. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / MIT / L. Lopez et al.; Infrarot: Palomar; Radio: NSF / NRAO / VLA.

Jedes mögliche Element, außer den drei, die wir übersprungen haben. Sie sehen, das Universum beginnt mit Wasserstoff und Helium, alle Sterne produzieren Helium und Sterne über einer bestimmten Massenschwelle produzieren Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und viele schwerere Elemente. Aber Kohlenstoff war bereits Element Nr. 6; Was ist mit Lithium, Beryllium und Bor (Elemente Nr. 3, Nr. 4 und Nr. 5)? Wenn wir auf das Universum und das Sonnensystem schauen und nach der Häufigkeit der Elemente fragen, stellen wir fest, dass es eine enorme Lücke zwischen Helium und Kohlenstoff gibt, so wie diese drei Elemente unglaublich unterdrückt werden.

Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer MHz`as mit Daten von Katharina Lodders (2003). The Astrophysical Journal 591: 1220–1247.

Sie können diese Elemente nicht herstellen, indem Sie leichtere Elemente miteinander verschmelzen, da durch Zugabe von Wasserstoff zu Helium Lithium-5 erzeugt wird, das instabil ist, und durch Hinzufügen von zwei Helien Beryllium-8 entsteht, das instabil ist. (Tatsächlich sind alle Kerne mit einer Masse von 5 oder 8 instabil.) Sie können sie nicht aus Sternreaktionen mit Elementen wie Kohlenstoff oder höher herstellen, da diese nur schwerere Elemente erzeugen, keine leichteren. Tatsächlich kann man das erste der Elemente, die schwerer als Helium sind, überhaupt nicht in Sternen herstellen.

Ein Modell einer Pflanzenzelle mit primären und sekundären Zellwänden. Ohne Bor würden Pflanzenzellwände nicht existieren. Bildnachweis: Caroline Dahl, unter einer cca-sa-3.0-Lizenz.

Und doch existieren Lithium, Beryllium und Bor nicht nur, sondern insbesondere Bor ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Ohne Bor gäbe es keine Zellwand und daher auch keine Pflanze. (Für einige von uns sind die Lithiumbatterien in ihren Handys möglicherweise ebenso unverzichtbar!)

Es gibt jedoch Pflanzen, Lithium, Beryllium und Bor, und so müssen diese Elemente irgendwie geschaffen worden sein. Ob Sie es glauben oder nicht, die Schlüssel sind die energetischsten Partikelquellen im Universum: Schwarze Löcher, Neutronensterne, Supernovae und aktive Galaxien. Wenn sich diese kosmischen Katastrophen entzünden, aktiv werden oder sogar explodieren, emittieren sie nicht nur Partikel. Sie emittieren die Teilchen mit der höchsten Energie im bekannten Universum.

Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech; Chandra / Spitzer / Hubble-Komposit des Überrests Cassiopeia A Supernova.

Und wenn diese energetischen Teilchen (bekannt als kosmische Strahlung) auf ein schwereres Element treffen - eines, das in einem Stern erzeugt wird -, kann es es auseinander sprengen und eine Kaskade von Teilchen mit geringerer Masse erzeugen. Dieser als Spallation bekannte Prozess ist die Entstehung des auf der Erde gefundenen Lithiums, Berylliums und Bors und der einzige Grund, warum diese Elemente überhaupt auf unserem Planeten zu finden sind. Diese drei Elemente sind bei weitem die seltensten aller Lichtelemente, und dieser Prozess ist der einzige Grund, warum sie überhaupt existieren. Wenn Sie das nächste Mal eine Pflanze sehen, denken Sie nicht nur an die Evolutionsgeschichte, die dies zuließ, sondern auch an die kosmische, die es den für sie wesentlichen Elementen ermöglichte, überhaupt zu existieren. Ohne die katastrophalsten, energetischsten Ereignisse im Universum wären drei der leichtesten Elemente, Lithium, Beryllium und Bor, einfach nicht.

Dieser Beitrag erschien zuerst bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!