Os elementos de luz mais raros do Universo
Compreender a origem cósmica de todos os elementos mais pesados que o hidrogênio pode nos dar uma poderosa janela para o passado do Universo, bem como uma visão de nossas próprias origens. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cepheus.
Há uma grande lacuna entre o hélio e o carbono. Venha descobrir o porquê!
E argônio, criptônio, neon, radônio, xenônio, zinco e ródio,
E cloro, cobalto, carbono, cobre, tungstênio, estanho e sódio.
Estes são os únicos cujas notícias chegaram a Harvard,
E pode haver muitos outros, mas eles não foram descartados.
– professor tom
Imediatamente após o Big Bang, antes que as primeiras estrelas do Universo se formassem, o Universo consistia em hidrogênio (elemento #1), hélio (elemento #2) e praticamente nada mais. Apesar de se originar de um estado incrivelmente quente e denso, elementos arbitrariamente pesados não foram criados no início da mesma forma que são feitos hoje em estrelas. Apesar de ser quente o suficiente para fazer praticamente qualquer coisa, o Universo primitivo não faz quase nada por uma razão simples: se era quente e denso o suficiente para fundir elementos nos estágios iniciais, também era quente o suficiente para explodir esses elementos compostos. separados novamente.
É somente quando o Universo esfriou o suficiente para que os elementos não sejam imediatamente separados – um pouco mais de três minutos – que podemos construir nosso caminho na tabela periódica.
A cadeia de reação de nucleossíntese inicial que produz deutério, hélio-3 e hélio-4 no início do Universo. Crédito da imagem: Joanna Kośmider, usuária do Wikimedia Commons, com modificações de E. Siegel.
Mas mesmo depois de apenas alguns minutos, as condições são tão baixas em energia que 99,999999% dos elementos se esgotam no hélio. E não fazemos nada de novo além disso até começarmos a formar estrelas. Embora o primeiro estágio da queima estelar sempre envolva a fusão de hidrogênio em hélio no núcleo de uma estrela, as estrelas que são massivas o suficiente (mais de cerca de 40% da massa do nosso Sol) acabarão subindo na tabela periódica:
- Quando o núcleo da estrela fica sem combustível de hidrogênio, ele se contrai e aquece.
- Quando atinge uma temperatura de cerca de 100 milhões K, o hélio se inflama.
- Com essa ignição, a queima de hélio começa, onde três átomos de hélio se fundem para criar carbono (elemento #6), liberando energia no processo.
Um novo aglomerado estelar cheio de estrelas gigantes e brilhantes que produzirão grandes quantidades de carbono (e mais) em seus núcleos. Crédito da imagem: ESO / G. Beccari, via http://www.eso.org/public/images/eso1422a/ .
Este é o processo em jogo nas estrelas gigantes vermelhas, com estrelas mais massivas criando elementos como nitrogênio, oxigênio, néon, magnésio, silício, enxofre e ferro-cobalto e níquel. Além disso, a queima estelar também produz nêutrons livres, que podem se combinar com os elementos pré-existentes para subir na tabela periódica um elemento de cada vez, até elementos como chumbo e bismuto (elementos #82 e #83). E, finalmente, as estrelas mais massivas absolutas morrerão em uma espetacular explosão de supernova, levando a uma reação de fusão descontrolada que – em princípio – deve produzir tudo o que é conhecido na tabela periódica e além, criando todos os elementos possíveis.
A nebulosa do remanescente de supernova W49B, ainda visível em raios-X, rádio e comprimentos de onda infravermelhos. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infravermelho: Palomar; Rádio: NSF/NRAO/VLA.
Todos os elementos possíveis, ou seja, exceto os três que pulamos . Veja bem, o Universo começa com hidrogênio e hélio, todas as estrelas produzem hélio e, em seguida, estrelas acima de um certo limite de massa produzem carbono, nitrogênio, oxigênio e muitos elementos mais pesados. Mas o carbono já era o elemento #6; e quanto ao lítio, berílio e boro (elementos #3, #4 e #5)? Quando olhamos para o Universo e o Sistema Solar e perguntamos quais são as abundâncias dos elementos, notamos que há uma tremenda lacuna entre o hélio e o carbono, como se esses três elementos fossem incrivelmente suprimidos.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons MHz`as, com dados de Katharina Lodders (2003). The Astrophysical Journal 591: 1220-1247.
Você não pode fazer esses elementos fundindo os mais leves, pois a adição de hidrogênio ao hélio criaria lítio-5 , que é instável, e a adição de dois hélios criaria berílio-8 , que é instável. (Na verdade, todo núcleos com massa de 5 ou 8 são instáveis.) Você não pode criá-los a partir de reações estelares envolvendo elementos como carbono ou mais pesado elementos, não mais leves. Na verdade, você não pode fazer o primeiro dos elementos mais pesados que o hélio nas estrelas.
Um modelo de uma célula vegetal, com paredes celulares primárias e secundárias. Sem boro, as paredes das células vegetais não existiriam. Crédito da imagem: Caroline Dahl, sob licença c.c.a.-s.a.-3.0.
E, no entanto, lítio, berílio e boro não só existem, mas o boro em particular é vital para a vida como a conhecemos na Terra. Sem boro, não haveria parede celular e, portanto, não existiria planta. (Para alguns de nós, as baterias de lítio em nossos celulares podem ser igualmente indispensáveis!)
No entanto, existem plantas, lítio, berílio e boro, e então, de alguma forma, esses elementos devem ter sido criados. As chaves, acredite ou não, são as fontes de partículas mais energéticas do Universo: buracos negros, estrelas de nêutrons, supernovas e galáxias ativas. Quando essas catástrofes cósmicas se inflamam, se tornam ativas ou até explodem, elas não emitem apenas partículas. Eles emitem as partículas de maior energia no universo conhecido .
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech; Composto Chandra / Spitzer / Hubble do remanescente de supernova Cassiopeia A.
E quando essas partículas energéticas (conhecidas como raios cósmicos) atingem um elemento mais pesado – um criado em uma estrela – ela pode destruí-lo, criando uma cascata de partículas de massa menor. Esse processo, conhecido como espalação , é como o lítio, o berílio e o boro encontrados na Terra foram formados, e a única razão pela qual esses elementos podem ser encontrados em nosso planeta. Esses três elementos são de longe os mais raros de todos os elementos leves , e esse processo é a única razão pela qual eles estão por perto. Da próxima vez que você vir uma planta, pense não apenas na história evolutiva que permitiu que ela fosse assim, mas na história cósmica, que permitiu que os elementos essenciais a ela existissem. Sem os eventos energéticos mais catastróficos do Universo, três dos elementos mais leves, lítio, berílio e boro, simplesmente não existiriam.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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