Throwback Thursday: Um Átomo no Universo

A incrível história de um único átomo simples, que por acaso está em seu corpo agora!

Crédito da imagem: Richard Crisp, via http://www.narrowbandimaging.com/incoming/horse_ap155edf_pl39k_lrgb_15hrs.jpg .



Os átomos entram no meu cérebro, dançam uma dança e depois saem — sempre há novos átomos, mas sempre fazendo a mesma dança, lembrando como foi a dança de ontem. – Richard Feynman



Aqui está você, um ser humano, um grande Universo de átomos que se organizaram em monômeros simples, reunidos em macromoléculas gigantes, que por sua vez compõem as organelas que compõem suas células. E aqui está você, uma coleção de cerca de 75 trilhões células especializadas, organizadas de forma a compor você.

Crédito da imagem: J. Roche na Universidade de Ohio.



Desses 75 trilhões de células, cerca de 4 trilhões são o que você pensa ser você, com cerca de metade do restante sendo glóbulos vermelhos e a outra metade sendo células bacterianas que estão simplesmente hospedadas em seu corpo a qualquer momento. Mas essas células, cada uma delas, são elas mesmas compostas de trilhões a quatro bilhões de átomos. Em nosso núcleo, os átomos são tudo o que somos. Um incompreensível ampla número de átomos - cerca de 10^28 deles - mas ainda assim átomos.

Crédito da imagem: Ed Uthman.

Essas duas coisas – você e um átomo – podem parecer tão diferentes em escala e tamanho que é difícil entender. Aqui está uma maneira divertida de pensar sobre os átomos: se você decompor um ser humano em todos os átomos que o compõem, existem tantos átomos que o compõem. tu ( ~ 10 ^ 28), pois existem átomos de valor de um humano para compor todo o Sistema solar !

Se você resumir a massa de todos os objetos conhecidos do Sistema Solar, cerca de 99,8% do que sabemos é encontrado no Sol, com Júpiter representando 0,1% e todo o resto – planetas, luas, asteroides, cometas, etc. o resto.

Crédito da imagem: Superb Wallpapers, via http://www.desktoplemming.com/ .

Toda a matéria do Sistema Solar, somada, contém cerca de 10^57 átomos, ou 10^29 átomos de seres humanos. Assim, um átomo, comparado a tu , é aproximadamente tão pequeno quanto você em comparação com todo o Sistema Solar, combinado.

Mas isso é apenas para perspectiva. Os 10^28 átomos que existem-como-você-agora cada um tem sua própria história que remonta ao próprio nascimento do Universo. Cada um tem sua própria história, e hoje trago a vocês a história de apenas 1 átomo no Universo. Isoladamente, um único átomo não é tão interessante, mas como parte do seu corpo, neste momento, não consigo pensar em nada mais importante.

Crédito da imagem: Lawrence Berkeley National Lab / UC Berkeley / US Dept. of Energy.

Houve um tempo no passado distante – cerca de 13,8 bilhões de anos atrás – em que não havia átomos. Sim, a energia estava lá para fazê-los, mas era muito quente e muito denso para ter até mesmo a forma de um único átomo. Imagine se puder: toda a matéria de todo o Universo, alguns 10^91 partículas , em um volume de espaço aproximadamente igual ao de uma única estrela gigante.

Todo o Universo, comprimido num volume de espaço que 1 grande estrela assume.

Crédito da imagem: Gauss Center for Supercomputing (GCS) / Sabine Höfler-Thierfeldt.

Sim, naquela época era muito quente para ter qualquer átomo. Mas o Universo não permaneceu assim por muito tempo: pode ter sido incrivelmente quente e denso, mas estava se expandindo e esfriando incrivelmente rápido naquela época. Após menos de um segundo, os quarks e glúons se condensaram em prótons e nêutrons estáveis, os blocos de construção de todos os núcleos atômicos, com uma quase igual quantidade de anti-prótons e anti-nêutrons.

Crédito da imagem: eu, fundo de Christoph Schaefer.

O Universo era 50,00000003% de matéria e 49,99999997% de antimatéria naquele momento, com alguma radiação e matéria escura. matéria — prótons, nêutrons e elétrons — atrás.

O átomo em que estamos pensando começou como um nêutron. Os prótons tentaram se fundir com ele para criar deutério, mas o Universo estava quente demais para que isso acontecesse, e cada vez que se formava deutério , foi destruído menos de um nanossegundo depois.

Crédito da imagem: eu, modificado de Lawrence Berkeley Labs.

Após cerca de três minutos, alguns dos nêutrons livres decaíram em prótons, mas este permaneceu. Se tivesse levado trinta minutos, a maioria dos nêutrons teria decaído, incluindo este, mas depois de apenas três, o Universo esfriou o suficiente para que a fusão nuclear pudesse prosseguir.

O nêutron rapidamente formou deutério, depois Hélio-3, e finalmente encontrou outro deutério para se tornar um núcleo de Hélio-4. Apenas cerca de 8% dos átomos do Universo se tornaram Hélio-4 como este; os outros 92% eram apenas prótons antigos, também conhecidos como núcleos de hidrogênio.

Crédito da imagem: Pearson Education, Inc., 2011.

Com uma carga positiva, esse núcleo de hélio continuou tentando atrair elétrons, algo que fez para centenas de milhares de anos , e ainda assim não conseguiu segurar um por mais de uma fração de segundo. O fundo energético da radiação era muito forte e a mantinha ionizada e isolada, enquanto a força repulsiva de outros núcleos a impedia de crescer ainda mais.

Levou mais 380.000 anos para o Universo esfriar o suficiente para se tornar um átomo neutro e para dois elétrons se juntarem a esse núcleo. O Universo – apesar de sua rápida expansão e resfriamento – permaneceu 100% ionizado até que a temperatura caiu para apenas alguns milhares de graus, o que simplesmente levou muito tempo.

Crédito da imagem: James N. Imamura da Universidade de Oregon.

Ao longo dos próximos cem milhões de anos, esse átomo se viu preso na atração gravitacional do Universo, que começou a colapsar as regiões superdensas da matéria em aglomerados. Esses aglomerados acabariam por formar estrelas e galáxias a partir do hidrogênio e hélio que sobraram do Universo primitivo. Mas a grande maioria dos átomos – mais de 95% – não fazia parte da primeira geração de estrelas, e nem esta em particular.

Em vez disso, quando as primeiras estrelas se formaram, elas expulsaram os elétrons dos átomos que as cercavam, criando íons novamente.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

Foi apenas por sorte que este átomo que estamos seguindo acabou em uma densa nuvem molecular, longe da radiação ultravioleta ionizante da mais quente das estrelas jovens. Depois de mais de um bilhão de anos nessa coleção de átomos neutros, a nuvem molecular que abriga esse átomo começou seu próprio colapso gravitacional irresistível. Nosso átomo finalmente se viu atraído pela atração gravitacional para o que se tornaria uma estrela azul gigante.

Crédito da imagem: NASA, ESA e F. Paresce, R. O'Connell e o Comitê WFC3.

Este átomo perdeu seus elétrons e caiu no núcleo da estrela, onde ficou adormecido por milhões de anos, enquanto os núcleos de hidrogênio se fundiam em outros núcleos de hélio como este. Apesar da tremenda fornalha nuclear no núcleo desta estrela, no entanto, este átomo de hélio, como todo os átomos de hélio no núcleo da estrela, permaneceram intocados.

Somente quando o núcleo ficou sem combustível de hidrogênio hélio a fusão começou e, em pouco tempo, nosso átomo se fundiu com outros dois para se tornar um núcleo de carbono!

Crédito da imagem: Nicolle Rager Fuller/NSF.

Enquanto outros átomos ainda mais próximos do centro da estrela se fundiram ainda mais, o carbono estava tão longe quanto esse átomo em particular. Quando o núcleo da estrela entrou em colapso e a estrela se transformou em supernova, nosso átomo explodiu no meio interestelar, onde permaneceu por bilhões de anos.

Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Caltech/S.Kulkarni et al.; Óptico: NASA/STScI/UIUC/Y.H.Chu & R.Williams et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/R.Gehrz et al.

Enquanto bilhões de outras estrelas em nossa Via Láctea sozinhas passaram pelo ciclo de vida e morte, esse átomo de carbono permaneceu no espaço interestelar, eventualmente pegando seis elétrons para se tornar neutro.

Ele encontrou seu caminho em uma coleção gravitacional de gás neutro, uma nuvem molecular que era muito menor do que a anterior em que seu átomo de hélio progenitor foi encontrado. para outra perturbação gravitacional, já que a formação de estrelas aconteceu novamente.

Crédito da imagem: Tony Hallas de http://www.astrophoto.com/ .

Desta vez, o átomo não encontrou o caminho para a estrela central de seu sistema, mas sim para o disco empoeirado que o cercava. Com o tempo, o disco se separou em planetoides e planetesimais, e esse átomo se viu a bordo de um deles.

Crédito da imagem: NASA.

Por acaso, aconteceu de ser uma espécie de Johnny-chegou recentemente ao seu planetóide e acabou se juntando a quatro átomos de hidrogênio - tornando-se uma molécula de metano - na atmosfera deste mundo recém-formado.

À medida que vários eventos energéticos aconteciam, desde a luz do sol a tempestades de raios, meteoros e difusão química, essa molécula de metano (e o átomo de carbono em seu núcleo) passou por milhões de reações químicas diferentes ao longo do tempo.

Crédito da imagem: 2009, Zappa, via http://macroworlds.com /.

Depois que a vida se estabeleceu na Terra, ela entrou e saiu de situações orgânicas muitas vezes. A certa altura, tornou-se parte do DNA de uma bactéria, depois, mais tarde, parte da parede celular de uma planta e, eventualmente, tornou-se parte de um organismo complexo que seria consumido. por você.

Crédito da imagem: Ana de http://mtkilimonjaro.blogspot.com/ .

O átomo está atualmente em um glóbulo vermelho seu, onde permanecerá por um total de cerca de 120 dias, até que a célula seja destruída e substituída por uma diferente.

Crédito da imagem: Mohamed Zakzouk, ~zakzak008 do deviantART.

Embora a célula – e todas as células do seu corpo – sejam destruídas e substituídas, tu permanecerá a mesma pessoa que você é, e o átomo simplesmente assumirá uma função diferente, seja em seu corpo ou fora dele.

Os átomos em seu corpo são temporários e podem ser substituídos – sem que você perceba – por outro do mesmo tipo. Na verdade, cada átomo em seu corpo circula Fora do seu corpo após cerca de seis anos no máximo.

Crédito da imagem: Younger of http://technicalstudies.youngester.com/ .

No entanto, de alguma forma, por razões que não entendemos completamente, você ainda permanece você , mesmo que todos os seus átomos possam ser diferentes. E cada um dos 10^28 átomos do seu corpo tem uma história tão espetacular e única quanto esta! Como Feynman uma vez disse poeticamente ,

eu
um universo de átomos
um átomo no Universo.

A história do Universo está dentro de cada átomo em seu corpo, cada um. E depois de 13,8 bilhões de anos, 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 deles se juntaram, e é você. O Universo está dentro de você, tão certo quanto você está dentro do Universo.

Crédito da imagem: ESO / the Visible MultiObject Spectrograph (VIMOS) no VLT.

Você, um Universo de átomos, um átomo neste Universo.


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