Η δημιουργία των στοιχείων-Ελαφρά στοιχεία
Μέρος 1ο

Άρθρο, Σεπτέμβριος 2003

Εισαγωγή

Ένα από τα θεμελιώδη προβλήματα της αστροφυσικής είναι το πρόβλημα της προέλευσης των χημικών στοιχείων. Ήταν γνωστό για αρκετά χρόνια ότι τα στοιχεία όπως το υδρογόνα, το ήλιο, και το λίθιο θα είχαν σχηματιστεί μόνο λίγες στιγμές μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη (Θεωρία των Alpher, Bethe & Gamow το 1948).

Αλλά αυτή η θεωρία δεν αγγίζει το πρόβλημα των άλλων στοιχείων, που είναι πολύ σημαντικά για τη ζωή, όπως τον άνθρακα, το οξυγόνο, το σίδηρο, και το χρυσό.

Καθώς όμως περνούν τα χρόνια, κι άλλα στοιχεία μπορούν να φτιαχτούν σε διάφορες αστροφυσικές περιοχές. Στις περισσότερες από αυτές τις περιοχές έχουν προσδιοριστεί τα ισότοπα που φτιάχνονται.

Η δημιουργία των ελαφρών στοιχείων

Το Σύμπαν περιέχει κυρίως υδρογόνο, το οποίο αποτελεί σχεδόν τα τρία τέταρτα όλης της συμβατικής βαρυονικής μάζας. Περιέχει επίσης, περίπου, 24%  ήλιο-4 (άτομα ηλίου με πυρήνες που αποτελούνται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια) και μικρότερα ποσά δευτερίου (υδρογόνο-2), ηλίου-3 και λίθιου-6. Αυτά όλα τα στοιχεία θεωρούνται ότι έχουν φτιαχτεί στις απαρχές της ιστορίας του σύμπαντος αμέσως μετά το Big Bang, όταν το Σύμπαν είχε ηλικία μεταξύ ενός και εκατό δευτερολέπτων περίπου.

Εκείνη την περίοδο, η θερμοκρασία του σύμπαντος θα είχε προσεγγίσει το ένα δισεκατομμύριο βαθμούς, και το Σύμπαν θα ήταν τόσο πυκνό που οι πυρηνικές αντιδράσεις θα ήταν κάτι το συνηθισμένο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες θα είχαν συντηχθεί σχεδόν όλα τα  διαθέσιμα νετρόνια στο αρχικό σύμπαν με τα πρωτόνια για να φτιάξουν τους πυρήνες του ηλίου-4, ενώ θα είχαν περισσέψει λίγα νετρόνια για να φτιάξουν το δευτέριο και το ήλιο-3.

Αργότερα κάποια από τα αυτά τα ελαφρύτερα στοιχεία θα είχαν συνδυαστεί για να κάνουν την πλειοψηφία των ατόμων του λίθιου-7 που βρίσκεται στο Σύμπαν σήμερα. Εντούτοις, αυτός ο μηχανισμός δεν θα ήταν σε θέση να κάνει τα βαρύτερα στοιχεία, τα περισσότερα από τα οποία είναι γνωστά ότι γίνονται στα αστέρια που σχηματίστηκαν αργότερα.

Τα στοιχεία της ομάδας του σιδήρου

Τα περισσότερα από τα στοιχεία που είναι ελαφρότερα από το σίδηρο και το νικέλιο μπορούν να φτιαχτούν από διαδοχικούς κύκλους της θερμοπυρηνικής σύντηξης στους πυρήνες των αστεριών. Υπάρχουν, εντούτοις, μερικές ασυνήθιστες διαδικασίες με τις οποίες παράγονται κάποια από τα ελαφρά στοιχεία.

Παραδείγματος χάριν, στο αρχικό Σύμπαν και στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν το ήλιο, τα ισότοπα ⁶Li, ⁹Be, ¹⁰B, και ¹¹B παρακάμπτονται εξ ολοκλήρου. Δίχως αμφιβολία, αυτά τα στοιχεία είναι εξαιρετικά σπάνια στο ηλιακό σύστημα, αλλά όμως κανένα από αυτά δεν απουσιάζει τελείως από το ηλιακό σύστημα. Όλα αυτά τα ισότοπα σχηματίζονται πιθανά όταν ενεργητικές κοσμικές ακτίνες πέφτουν πάνω σε πυρήνες στόχους όπως είναι ο ¹²C στο διαστρικό μέσο, με συνέπεια το μερικό θρυμματισμό του πυρήνα στόχου. Το ¹¹B μπορεί επίσης να παραχθεί όταν μια έντονη ροή των νετρίνων από ένα σουπερνόβα επιφέρει τη μερική διάσπαση -θρυμματισμό- στο ¹²C. Αυτός ο τρόπος πιστεύεται ότι είναι η αιτία της προέλευσης του ¹⁹F.

Ίσως η πιο δραματική νουκλεοσύνθεση είναι ο σχηματισμός των στοιχείων της ομάδας του σιδήρου. Όταν στον πυρήνα ενός τεράστιου άστρου σχηματίζεται ο σίδηρος και το νικέλιο, δεν μπορεί να ελευθερωθεί άλλη ενέργεια με τη σύντηξη τους σε πιο βαριά στοιχεία. Για έναν μάλλον σύντομο χρόνο, τα στοιχεία της ομάδας του σιδήρου συμφωνούν είναι σε στατιστική ισορροπία με μεμονωμένα νουκλεόνια. Για αυτό κι αυτός ο τύπος της νουκλεοσύνθεσης αναφέρεται ως Πυρηνική Στατιστική Ισορροπία (NSE) ή e-διαδικασία. Εάν ο συνολικός αριθμός νετρονίων είναι πολύ κοντά ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων και κάτω από ειδικές συνθήκες θερμοκρασίας, ευνοείται το ισότοπο ⁵⁶Νι, και θα ελευθερωθεί από ένα  επόμενο σουπερνόβα. Η αποσύνθεση των ⁵⁶Ni, ⁵⁶Co, ⁵⁶Fe, δίνει την ενέργεια που καθιστά ορατό ένα σουπερνόβα. Επιπλέον, τα στοιχεία της ομάδας του σιδήρου που ελευθερώνονται παρέχουν έτσι τα σπέρματα για την περαιτέρω νουκλεοσύνθεση σε μια επόμενη γενιά των άστρων.

Συμφωνία μεταξύ της θεωρίας και των παρατηρήσεων

Οι υπολογισμοί της παραγωγής των ελαφρών στοιχείων συμφωνούν πολύ καλά με τις αστροφυσικές παρατηρήσεις, όπως φαίνεται στην εικόνα δεξιά. Μπορεί να φανεί ότι οι παρατηρήσεις συμφωνούν με τους υπολογισμούς, εάν το συνολικό ποσό της συμβατικής ύλης στο Σύμπαν είναι μερικά τοις εκατό της κρίσιμης πυκνότητας που απαιτείται για να αντιστραφεί η διαστολή του Σύμπαντος, όπως παρουσιάζεται από τη κάθετο μοβ λουρίδα.

Αυτή η εκτίμηση συμφωνεί, κατά έναν παράγοντα περίπου δύο, με μια εξ ολοκλήρου ανεξάρτητη εκτίμηση βασισμένη στις παρατηρήσεις της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου. Η συμφωνία μεταξύ των δύο εκτιμήσεων είναι μια ισχυρή επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης.

Προκειμένου να υπολογιστούν ακριβώς τα ποσά των διαφορετικών ελαφρών στοιχείων, είναι απαραίτητο να είναι γνωστό με τι επιτάχυνση έγινε η διαστολή του σύμπαντος όταν ήταν πολύ νέο, η  οποία εξαρτάται από τον αριθμό των διαφορετικών τύπων των σωματιδίων που ήταν παρόντα εκείνη την εποχή. Ειδικότερα, οι υπολογισμοί των ελαφρών στοιχείων είναι ευαίσθητοι στο συνολικό αριθμό των διαφορετικών τύπων των νετρίνων.

Τα πειράματα στον επιταχυντή των σωματιδίων LEP έδειξαν ότι υπάρχουν ακριβώς τρεις διαφορετικοί τύποι νετρίνων, οπότε σ' αυτή την περίπτωση οι υπολογισμοί των ελαφρών στοιχείων είναι ιδιαίτερα σωστοί. Αυτή η επιτυχία δίνει μια ακόμη επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης.