Η προέλευση των χημικών στοιχείων

Σε μια πρόσφατη ομιλία μου ανέφερα ότι στο σύμπαν βρίσκουμε ένα περίπου τρισεκατομμύριο γαλαξίες, καθένας από τους οποίους αποτελείται κατά μέσον όρο από περίπου 100 δισεκατομμύρια άστρα. Στο τέλος της ομιλίας, ένας από τους ακροατές με ρώτησε ποια είναι τα συστατικά από τα οποία αποτελούνται όλα αυτά τα τρισεκατομμύρια των τρισεκατομμυρίων άστρων και πλανητών που ανέφερα. Και η απάντηση είναι απλή, γιατί όλα αυτά τα άστρα αποτελούνται από τα άτομα των 92 χημικών στοιχείων που βρίσκουμε ελεύθερα στη φύση με κυριότερο συστατικό το υδρογόνο.

Ολο το υδρογόνο που υπάρχει στο σύμπαν και το μεγαλύτερο μέρος του ηλίου γεννήθηκαν στα πρώτα 10 λεπτά της ύπαρξης του σύμπαντος, πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Η πυρηνοσύνθεση αυτή άρχισε τρία λεπτά και 46 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Εκρηξη, όταν η θερμοκρασία του σύμπαντος είχε πέσει στο ένα δισεκατομμύριο βαθμούς. Εκτοτε δεν έχει δημιουργηθεί άλλο υδρογόνο και η αναλογία της πυρηνικής ύλης που υπήρχε τότε ήταν 25% ήλιο και το υπόλοιπο 75% υδρογόνο. Στο τέλος όμως των δέκα πρώτων λεπτών της δημιουργίας, η θερμοπυρηνική μηχανή του σύμπαντος σταμάτησε να λειτουργεί και μαζί της σταμάτησε και οποιαδήποτε συνέχεια της πυρηνοσύνθεσης.

Οποιαδήποτε περαιτέρω δημιουργία νέων πυρήνων των χημικών στοιχείων της φύσης έπρεπε να περιμένει τη δημιουργία των άστρων (εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα και μέχρι σήμερα), στη θερμοπυρηνική καρδιά των οποίων το υδρογόνο μετατρέπεται σε βαρύτερα στοιχεία μέχρι τον σίδηρο, καθώς επίσης και στις εκρήξεις των σουπερνόβα για τη δημιουργία πολύ βαρέων στοιχείων πάνω από τον σίδηρο και μέχρι το ουράνιο.

Οι εκρήξεις σουπερνόβα είναι αναπόφευκτες σε άστρα που έχουν υλικά περισσότερα από οκτώ ηλιακές μάζες, ενώ λίγο πριν από την έκρηξη η περιεκτικότητα υλικών στα διάφορα στρώματα του άστρου εξαρτάται από τη συνολική μάζα του. Στην περίπτωση ενός άστρου με υλικά 25 φορές τα υλικά που έχει ο Ηλιος περιλαμβάνονται διάφορα στρώματα πυρηνικών αντιδράσεων: ένα εξωτερικό στρώμα υδρογόνου, ακολουθούμενο από ένα στρώμα ηλίου, ένα άνθρακα, οξυγόνου, πυριτίου, και στο κέντρο του άστρου η σιδερένια του καρδιά. Το πέρασμα, όμως, ενός κρουστικού κύματος υλικών που μετακινείται από το κέντρο προς την επιφάνειά του δημιουργεί διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις, με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων χημικών στοιχείων ανώτερα του σιδήρου. Η έκρηξη σουπερνόβα που επακολουθεί είναι ταυτόχρονα ένα τέλος και μια αρχή, γιατί το εκρηκτικό τέλος της ζωής ενός άστρου απελευθερώνει όλα τα χημικά στοιχεία που είχαν δημιουργηθεί στη καρδιά του κατά τη διάρκεια της σύντομης σχετικά ζωής του, καθώς και πολλά άλλα που γεννήθηκαν τη στιγμή της έκρηξης. Η «σούπα» αυτή των χημικών στοιχείων εμπλουτίζει τα διάσπαρτα νεφελώματα αερίων και διαστημικής σκόνης, από τα οποία θα γεννηθούν νέα άστρα και νέοι πλανήτες.

Υστερα από κάθε έκρηξη σουπερνόβα τα αέρια που εκπέμπονται δημιουργούν παράξενους νεφελώδεις σχηματισμούς, που επί αιώνες διαστέλλονται στο Διάστημα με τεράστιες ταχύτητες. Τα νεφελώματα αυτά υπερθερμαίνονται από τις τεράστιες ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας που εκπέμπουν οι αστρικοί πυρήνες που έχουν απομείνει στο κέντρο τους, φωτίζοντας έτσι τα αστρικά αυτά λείψανα με τις αραχνιασμένες μορφές. Ο αστρικός αυτός πυρήνας συμπιέζεται τόσο πολύ ώστε δημιουργείται μια σφαίρα μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων που περιστρέφεται σαν σβούρα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο ένα κουταλάκι του γλυκού, θα «ζύγιζαν» δέκα εκατομμύρια τόνους, όσο 10.000 σύγχρονα αεροπλανοφόρα, ενώ ένα μωρό 5 κιλών στην επιφάνειά του θα «ζύγιζε» 50 εκατομμύρια τόνους! Αν η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου «Ειρήνης και Φιλίας».

Οταν δύο τέτοια άστρα νετρονίων βρεθούν το ένα δίπλα στο άλλο, αρχίζει ένας ναπολιτάνικος χορός που, αργά ή γρήγορα, θα καταλήξει στη σύγκρουσή τους και στη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας με το 90% των υλικών τους. Κατά τη διάρκεια όμως της σύγκρουσης, μια ποσότητα υλικών ίση με 16.000 φορές τα υλικά της Γης μετατρέπεται σε βαρέα χημικά στοιχεία μεταξύ των οποίων και ο χρυσός, σε ποσότητα που υπολογίζεται ότι φτάνει τις 800 σεληνιακές μάζες. Κι έτσι μαζί με τη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας, την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων και εκλάμψεων ακτίνων γάμα, δημιουργούνται επίσης και τα υπόλοιπα βαρέα στοιχεία ανώτερα του σιδήρου, που αποτελούν τα συστατικά των άστρων που βλέπουμε κάθε βράδυ στον ουρανό.

* Ο κ. Διονύσης Π. Σιμόπουλος είναι επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου.