Wenn wir den kosmischen Ursprung aller Elemente verstehen, die schwerer als Wasserstoff sind, können wir einen starken Einblick in die Vergangenheit des Universums sowie in unsere eigenen Ursprünge erhalten. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Cepheus.

Die seltensten Lichtelemente im Universum

Zwischen Helium und Kohlenstoff besteht eine große Lücke. 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 noch viele andere geben, aber sie sind nicht verworfen worden. "
-Tom Lehrer

Unmittelbar nach dem Urknall, bevor sich die ersten Sterne im Universum bildeten, bestand das Universum aus Wasserstoff (Element 1), Helium (Element 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 herzustellen, macht es aus einem einfachen Grund so gut wie nichts: Wenn es heiß und dicht genug war, um Elemente in einem sehr frühen Stadium miteinander zu verschmelzen, war es auch heiß genug, um diese zusammengesetzten Elemente zu sprengen wieder auseinander.

Erst wenn sich das Universum ausreichend abgekühlt hat, können sich die Elemente nicht sofort aufteilen - in etwas mehr als drei Minuten -, um das Periodensystem aufzubauen.

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

Aber schon nach wenigen Minuten sind die Bedingungen so energiearm, dass 99,999999% der Elemente an Helium gebunden sind. Darüber hinaus machen wir nichts Neues, bis wir anfangen, Sterne zu formen. Obwohl die erste Stufe des Sternbrennens immer die Verschmelzung von Wasserstoff mit Helium im Kern eines Sterns beinhaltet, werden die Sterne, die massereich genug sind (mehr als 40% so massereich wie unsere Sonne), irgendwann ihren Weg zum 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 das Verbrennen von Helium, bei dem 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 bilden. Darüber hinaus werden durch das Verbrennen von Sternen auch freie Neutronen erzeugt, die sich mit den bereits vorhandenen Elementen kombinieren lassen, um das Periodensystem Element für Element bis hin zu Elementen wie Blei und Wismut (Elemente 82 und 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 hervorbringen sollte, was im Periodensystem und darüber hinaus bekannt ist, und jedes mögliche Element hervorbringt.

Der Nebel aus Supernova-Überrest W49B, noch sichtbar in Röntgen-, Radio- und Infrarotwellenlängen. 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 dann produzieren Sterne über einer bestimmten Massenschwelle Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und viele schwerere Elemente. Aber Kohlenstoff war bereits Element Nr. 6; Was ist mit Lithium, Beryllium und Bor (Elemente 3, 4 und 5)? Wenn wir uns das Universum und das Sonnensystem ansehen und nach dem Vorkommen der Elemente fragen, stellen wir fest, dass zwischen Helium und Kohlenstoff eine enorme Lücke besteht, da 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 miteinander verschmelzen, da durch Hinzufügen von Wasserstoff zu Helium Lithium-5 entsteht, das instabil ist, und durch Hinzufügen von zwei Helium zu Beryllium-8, das instabil ist. (Tatsächlich sind alle Kerne mit einer Masse von 5 oder 8 instabil.) Sie können sie nicht durch Sternreaktionen mit Elementen wie Kohlenstoff oder höher erzeugen, da diese nur schwerere und keine leichteren Elemente erzeugen. Tatsächlich können Sie nicht das erste der heliumschweren Elemente in Sternen herstellen.

Ein Modell einer Pflanzenzelle mit primären und sekundären Zellwänden. Ohne Bor gäbe es keine Pflanzenzellwände. Bildnachweis: Caroline Dahl, unter einer c.c.a.-s.a.-3.0-Lizenz.

Und doch existieren Lithium, Beryllium und Bor nicht nur, sondern Bor ist besonders wichtig für das Leben, wie wir es auf der Erde kennen. Ohne Bor gäbe es keine Zellwand und somit 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 irgendwie müssen diese Elemente erzeugt worden sein. Ob Sie es glauben oder nicht, die Schlüssel sind die energiereichsten Teilchenquellen im Universum: Schwarze Löcher, Neutronensterne, Supernovae und aktive Galaxien. Wenn diese kosmischen Katastrophen sich entzünden, aktiv werden oder sogar explodieren, stoßen sie nicht nur Partikel aus. Sie emittieren die energiereichsten Teilchen des bekannten Universums.

Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech; Chandra / Spitzer / Hubble-Komposit der Cassiopeia Ein Supernova-Überrest.

Und wenn diese energetischen Teilchen (bekannt als kosmische Strahlen) auf ein schweres Element treffen - eines, das in einem Stern erzeugt wurde -, kann es dieses auseinander sprengen und eine Kaskade von Teilchen mit geringerer Masse erzeugen. Dieser als Spallation bekannte Prozess ist die Entstehung von Lithium, Beryllium und Bor auf der Erde und der einzige Grund, warum diese Elemente überhaupt auf unserem Planeten gefunden werden können. Diese drei Elemente sind bei weitem die seltensten aller leichten Elemente, und dieser Prozess ist der einzige Grund, warum sie überhaupt vorhanden sind. Wenn Sie das nächste Mal eine Pflanze sehen, denken Sie nicht nur an die Evolutionsgeschichte, die dies ermöglichte, sondern auch an die kosmische, die es ermöglichte, dass die für sie wesentlichen Elemente überhaupt existierten. Ohne die katastrophalsten und energischsten Ereignisse im Universum wären drei der leichtesten Elemente, Lithium, Beryllium und Bor, einfach nicht möglich.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal 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!