Πώς το Σύμπαν έφτιαξε τα πράγματα που μας έφτιαξαν

Όταν το Σύμπαν μας βρισκόταν στα σπάργανα, το μόνο στοιχείο που περιείχε ήταν το υδρογόνο, το πιο απλό—όχι σχεδόν αρκετό από μόνο του για να δημιουργήσει ενδιαφέροντα πράγματα όπως πλανήτες και ανθρώπους. Μέχρι τη στιγμή που τα πράγματα ψύχθηκαν αρκετά ώστε το μοναδικό πρωτόνιο σε κάθε άτομο υδρογόνου να ζευγαρώσει με ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο, περίπου το 92 τοις εκατό των ατόμων στο Σύμπαν ήταν υδρογόνο. Τα υπόλοιπα είχαν συγχωνευθεί κυρίως σε ήλιο με ίχνη λιθίου και μερικά άλλα ελαφρά στοιχεία. Εκείνη την εποχή το Σύμπαν ήταν πολύ κρύο για να σχηματιστούν άλλα στοιχεία και ο Κόσμος εισήλθε σε μια σκοτεινή εποχή που διήρκεσε 380 εκατομμύρια χρόνια.

Καθώς το Σύμπαν επεκτεινόταν και ψύχθηκε, η βαρύτητα άρχισε να κυριαρχεί. Οι γαλαξίες ενώθηκαν και σύντομα τα πρώτα αστέρια άρχισαν να λάμπουν. Στην αρχή αυτό το φως οφειλόταν μόνο στο βάρος ενός ίδιου του αστεριού:Καθώς ένα αστέρι καταρρέει από το ίδιο του το βάρος, το υδρογόνο συμπιέζεται, γεγονός που το αναγκάζει να θερμανθεί, όπως θερμαίνεται ο στόκος όταν το πιέζετε στο χέρι σας. Από μόνη της, η βαρύτητα θα μπορούσε να κρατήσει αυτά τα αστέρια να λάμπουν μόνο για μερικά εκατομμύρια χρόνια, αλλά ήταν αρκετή για να θερμάνει τους πυρήνες αυτών των αστεριών τόσο ώστε να ξεκινήσει η αλχημεία της πυρηνικής σύντηξης.

Το γεγονός ότι η σύντηξη μπορεί να συμβεί με αυτόν τον τρόπο είναι από πολλές απόψεις εκπληκτικό. Η σύντηξη δεν είναι απλώς μια ένωση δύο πυρήνων. Στα περισσότερα αστέρια, οι πυρήνες του υδρογόνου δεν μπορούν να πλησιάσουν αρκετά για να συντηχθούν. Όσο πιο κοντά πλησιάζει ένα ζεύγος πυρήνων υδρογόνου, τόσο πιο έντονα τα θετικά φορτία τους απομακρύνουν. Αλλά επειδή οι πυρήνες είναι κβαντικά αντικείμενα, δεν χρειάζεται να είναι αρκετά κοντά για να συντηχθούν, απλώς για να βρίσκονται στο ίδιο γήπεδο. Από εκεί ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντική σήραγγα μπορεί να κάνει τα υπόλοιπα. Μια στιγμή οι δύο πυρήνες είναι σχεδόν αρκετά κοντά για να συγχωνευθούν, και την επόμενη στιγμή ξαφνικά βρίσκονται δεμένοι μεταξύ τους. Είναι σαν οι πυρήνες να μην έχουν αρκετή ενέργεια για να ανοίξουν την πόρτα και να περάσουν, αλλά περιστασιακά τηλεμεταφέρονται μέσα από τοίχους.

Αλλά ακόμη και αυτό το κομμάτι της κβαντικής μαγείας δεν είναι αρκετό για να πετύχει ένα αστέρι. Όχι μόνο πρέπει να συμβεί σύντηξη, πρέπει να παράγει κάτι σταθερό. Όταν δύο πρωτόνια συντήκονται για να γίνουν ήλιο-2 (που περιέχει δύο πρωτόνια και καθόλου νετρόνια), είναι εξαιρετικά ασταθές και συνήθως διασπάται αμέσως σε δύο ξεχωριστά πρωτόνια. Αλλά υπάρχει μια πιθανότητα 1 στις 10.000 ένα από τα πρωτόνια να μετατραπεί σε νετρόνιο και το άτομο στη συνέχεια να γίνει δευτέριο, ένα σταθερό ισότοπο υδρογόνου. Το δευτέριο και το υδρογόνο μπορούν να συντηχθούν για να δημιουργήσουν ένα σταθερό ήλιο, απελευθερώνοντας μια τεράστια ποσότητα ενέργειας και ανοίγοντας το εκπληκτικό δημιουργικό δυναμικό των αστεριών.

Για τα μικρά αστέρια, το υδρογόνο είναι το μόνο στοιχείο που μπορούν να συντήξουν. όταν τελειώνουν, σκοτεινιάζουν. Αλλά αφού το μεγαλύτερο από τα πρώτα αστέρια μετέτρεψε το υδρογόνο τους σε ήλιο, κάηκαν με άλλο τρόπο. Όταν αυτά τα μεγάλα αστέρια σταμάτησαν να συντήκουν υδρογόνο, η εσωτερική τους πίεση μειώθηκε, η βαρύτητα άρχισε να τα καταρρέει ξανά και η θερμοκρασία των πυρήνων τους αυξήθηκε. Καθώς οι πυρήνες τους έφτασαν σε θερμοκρασία εκατό εκατομμυρίων Kelvin, το ήλιο άρχισε να συντήκεται σε βηρύλλιο (ένα άτομο με τέσσερα πρωτόνια) και το βηρύλλιο και το ήλιο συντήχθηκαν για να παράγουν άνθρακα (έξι πρωτόνια). Το βασικό στοιχείο της ζωής στη Γη άρχισε να σχηματίζεται στις φλεγόμενες καρδιές των αστεριών, αν και αυτός ο άνθρακας είχε ακόμη ένα μακρύ ταξίδι μπροστά πριν γίνει μέρος του εαυτού μας. Από τη σύντηξη του άνθρακα προέρχεται το άζωτο και το οξυγόνο (επτά και οκτώ πρωτόνια, αντίστοιχα), δύο ακόμη στοιχεία απαραίτητα για τη ζωή, και από αυτά προέρχεται μια αλυσίδα σύντηξης μέχρι τον σίδηρο (26 πρωτόνια).

Η σύντηξη του σιδήρου σε βαρύτερα στοιχεία δεν παράγει περισσότερη ενέργεια, όπως η σύντηξη ελαφρύτερων στοιχείων — όταν ο σίδηρος συντήκεται, απορροφά ενέργεια, κάτι που είναι πραγματικά καλό. Εάν τα στοιχεία συντήκονταν πάντα σε βαρύτερα στοιχεία, τότε τα πρώτα αστέρια θα είχαν απλώς συγχωνευθεί επ' αόριστον, μέχρι να γίνουν αστέρια νετρονίων, τεράστιες, αδιαφοροποίητες σφαίρες πυρηνικού υλικού. Αλλά επειδή η σύντηξη του σιδήρου στην πραγματικότητα ψύχει τον πυρήνα ενός άστρου, η αλυσίδα της σύντηξης κλείνει. Αφού σταμάτησε η σύντηξή τους, τα πρώτα μεγάλα αστέρια κατέρρευσαν τελικά υπό το βάρος τους, γεγονός που προκάλεσε εκρήξεις σουπερνόβα. Τα εξωτερικά στρώματα κάθε άστρου, πλούσια σε άνθρακα, άζωτο και οξυγόνο, ρίχτηκαν στο διαστρικό διάστημα και μόνο οι πυρήνες αυτών των αστεριών κατέρρευσαν, για άλλη μια φορά, σε αστέρια νετρονίων.

Από καιρό πιστευόταν ότι η αστρική σύντηξη και οι εκρήξεις σουπερνόβα ήταν αρκετές για να εξηγήσουν την ποικιλομορφία των στοιχείων που βλέπουμε γύρω μας. Όμως τώρα γνωρίζουμε ότι και άλλες εξωτικές διεργασίες παίζουν επίσης βασικό ρόλο. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι σπάνια, βαριά στοιχεία όπως ο χρυσός παράγονται σε μεγάλες ποσότητες όταν δύο αστέρια νετρονίων συγκρούονται. Είναι πιθανό ότι όλος ο χρυσός στη Γη παρήχθη από μια τέτοια σύγκρουση. (Ανατρέξτε στο "Earth's Stash of Gold Comes From Colliders Fit for Gods" για περισσότερες λεπτομέρειες.)

Κάθε βήμα από το υδρογόνο στα άλλα στοιχεία βασίζεται σε σπάνιες ουράνιες και κβαντικές διεργασίες. Είναι μια παρέλαση φλοκών που οδηγεί από την αρχέγονη ύλη σε εμάς. Κάθε κρίκος στην αλυσίδα είναι όχι μόνο απίθανος, αλλά εξαιρετικά ευαίσθητος στη φυσική που εμπλέκεται. Αν η ισχυρή δύναμη που συνδέει τα πρωτόνια μαζί ήταν μόλις 2 τοις εκατό ισχυρότερα, το ήλιο-2 θα ήταν σταθερό (pdf). Η σύντηξη θα γινόταν πολύ πιο εύκολα και η πρώτη γενιά καυτών, πυκνών αστέρων δεν θα είχε εμφανιστεί. Τροποποιήστε οποιοδήποτε μέρος της διαδικασίας και το Σύμπαν θα φαινόταν πολύ διαφορετικό και πιθανότατα δεν θα υπήρχαμε.

Αυτό μερικές φορές αναφέρεται ως το καλοσυντονισμένο Σύμπαν, η ιδέα ότι η ύπαρξη ζωής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από φαινόμενα όπως η αστρική σύντηξη που συμβαίνει με τον σωστό τρόπο. Είναι μια ιδέα που έχει οδηγήσει κάποιους να επικαλούνται θεολογικά επιχειρήματα για την προέλευση του Σύμπαντος, ενώ άλλοι υποστηρίζουν ακριβώς το αντίθετο. Είτε έτσι είτε αλλιώς, ένα πράγμα είναι ξεκάθαρο:Είμαστε το Σύμπαν που φανερώθηκε. Ό,τι είμαστε και ό,τι βλέπουμε γύρω μας είναι υδρογόνο, μετασχηματισμένο από το χωνευτήριο της βαρύτητας και του χρόνου.

Ο Brian Koberlein είναι αστροφυσικός και καθηγητής φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ρότσεστερ. Γράφει για την αστρονομία και την αστροφυσική στο blog του One Universe at a Time. Μπορείτε επίσης να τον βρείτε στο Twitter @BrianKoberlein.