Kako so v vesolju nastali različni kemijski elementi?

1. Kako so v vesolju nastali različni kemijski elementi? Andreja Gomboc Fakulteta za matematiko in fiziko Univerza v Ljubljani

2. Veliki pok • prvinska nukleosinteza • življenje zvezd • nastanek elementov do železa • nastanek elementov težjih od železa

3. Sestava vesolja • Temna energija 74% • Temna snov 22% • Barionska snov 4%: • 73 % H • 25 % He • 2 % težjih elementov

5. He • zvezde v Galaksiji: LGalaksije = 2x1010 Ls, MGalaksije = 1011 MS • 10 Glet, Ls=3.8x1026 J/s  2.4x1054 J • pri fuziji HHe: m=0.7% m • ves H: 1.3x1056 J • 2.4x1054 J/ 1.3x1056 J = 2% << 25% helija ! Zvezde ne proizvedejo opažene količine helija!

7. vesolje se širi /  d Hubblov zakon (1929): v = H d Prva opazovalna podpora teorije Velikega poka Edwin Powell Hubble (1889 -1953)

8. Veliki pok • 1927 Georges Lemaître (1894 – 1966)

9. Einsteinova splošna relativnost • Homogeno in izotropno vesolje • (kozmološki princip) • Friedmannove enačbe - opis vesolja od Velikega poka naprej • Fred Hoyle – 1949 Alexander Friedman (1888 – 1925) Sir Fred Hoyle (1915 - 2001)

10. 1964 – Arno Penzias and Robert Wilson - odkritje prasevanja – CMG – mikrovalovno sevanje ozadja s T=2.726 K • Porazdelitev in razvoj galaksij

11. Prvinska nukleosinteza • Alpher-Bethe-Gamow • napove količino 4He, 3He, 2H in 7Li glede na 1H • odvisnost od =nB/n  prasevanja  masni % • 75% H • 25%4He, (~) • ~ 10−4 2H, (OK) • ~ 10−43He • ~ 10−107Li, 7Be (2x)

12. 1.nastanek do inflacije – Planckova era: 0-10-43 s, T~ 1034 K- odcepitev gravitacije GUT 10-38 s – odcepitev močne interakcije  sprostitev ogromne energije  Inflacija: se poveča za faktor 1035

13. 2. elektrošibka doba: 10-38 do 10-10 s Fazni prehod, juha osnovnih delcev: fotoni, gluoni, kvarki Razklopitev šibke in EM interakcije

14. 3. Doba delcev: 10-10 do 1 s kvarki in antikvarki se anihilirajo kršitev simetrije  presežek kvarkov  snov Hadronska doba: med 10-6 do 10-5 s, T~ 1015 K: kvarki  hadroni nestabilni razpadejo, ostanejo p in n Leptonska doba: Večina leptoni in antileptoni  anihilacija  presežek leptonov

15. 4. od 1 do 100 s n  p + e- +e n + e+  p +enn/np =e-(m_n-m_p)/kT n + e p + e- pri T~ 10 GK se ustavlja: nn/np =0.223 nevtroni:  razpad z =617 s

16. 5. 3 - 20 min ko T pade na ~ 1 GK nastaja devterij: p+n  21H+ Ostane: np:nn=7:1  nHe:nH=1:12 oz. mHe:m=0.25 n + p 21H + . 21H + n 3H +  in 21H + p 3He + . Končno, 4He nastane: 21H + 21H4He + , 3He + n 4He +  in 3H + p 4He + . Nastajajo atomska jedra: večina n gre v He, malo v litij, berilij, devterij

17. ni elementov > Be • ker ni stabilnih jeder z A=5 ali 8 (glej trojni alfa proces) • vesolje se širi

18. 10.000 let: konec “radiation era”, začne “matter era” • 300.000 let: T~3000 K – nastajajo atomi, razklopitev snovi in sevanja – vesolje postane prozorno  CMB • >400 Mlet: nastajanje zvezd, galaksij, planetov...

20. Življenje zvezd • Nastanek iz medzvezdnega plina z m> MJeans • Numerična simulacija (http://www.ukaff.ac.uk/starcluster/)

22. Sonce • LS=3.8 x 1026J/s • v t~ 5 Glet oddalo 6x1043 J • 3x1013 J/kg • 4 H  4He in  E=26.7 MeV   m=4.6x10-29 kg =0.007 m • = 1038 reakcij/s • oz. 6.3x1014 J/kg

23. + 0.42 MeV x2 e−  +  e+  →  2   +  1.02 MeV +  5.49 MeV x2 pp I veriga + 12.86  MeV Skupno: 26.7 MeV. veriga, T~ 10 -14 MK. 86% v Soncu

24. in (31% of the time): T~14 to 23 MK. +  0.861MeV/  0.383 MeV • pp II • pp III • pp IV ali Hep pep pp II 14% in pp III z 0.11% T> 23 MK. Nevtrini z do 14.06 MeV 11H   +  e−  +  11H   →  21H  +  νe 32He  +  11H  →  42He  +  e+  +  νe  +  18.8 MeV + 1.44 MeV

25. Odvisnost od temperature • pp veriga: začne pri T~4 MK   T4 (=E/m) • CNO cikel: začne pri T~13 MK   T20 - v masivnih zvezdah (M>1.3MS)!

26. CNO cikel Glavne reakcije so: 126C→137N→136C→147N→158O→157N→ 126C 126C +  11H  →  137N +  γ      +  1.95 MeV 137N     →  136C   +  e+  +  νe  +  2.22 MeV 136C +  11H   →  47N  +  γ      +  7.54 MeV 47N  +  11H   →  158O   +  γ      +  7.35 MeV 158O       →  157N +  e+  +  νe  +  2.75 MeV 157N +  11H   →  126C   +  42He  +  4.96 MeV CNO II cikel: 157N → 168O → 179F→ 178O → 147N → 158O →157N OF cikel: 178O → 189F→ 188O → 199F→ 168O → 179F→ 178O Skupni rezultat: 4 11H  →  42He  +  2 e+  +  2 νe  +  γ  +  26.8 MeV

27. višji cikli gorenja - 3 alfa proces • vžig (blišč) helija pri T~100 MK Be razpada! 42He + 42He → 84Be  (−92 keV) 84Be + 42He → 126C + e+ + e− (+7.367 MeV) Alfa procesi: 126C +  42He  →  168O  +  γ 168O   +   42He  →   2010Ne  +  γ 2010Ne  +    42He  →    2412Mg  +  γ

28. Sonce

29. Planetarna meglica C,O

31. Gorenje C • M>5MS • T~6×100 MK, ~ 2×108 kg/m3 126C  +  126C   →  2010Ne  +  42He  +  4.617 MeV 126C   +  126C   →  2311Na  +  11H  +  2.241 MeV 126C   +  126C   →  2312Mg +  n  -  2.599 MeV ali 126C +  126C →  2412Mg  +  γ  +  13.933 MeV 126C   +  126C   →  168O  +  2  42He   -   0.113  MeV

32. Gorenje Ne • M>8MS • T~1.2 GK, ~4×109 kg/m3 • fotodisentigracija 2010Ne   +  γ  →  168O +  42He 2010Ne +  42He   →  2412Mg  +  γ ali 2010Ne   +  n  →  2110Ne   +  γ 2110Ne   +  42He →  2412Mg   +  n

33. Gorenje O • Masivne zvezde, ki porabijo ostalo gorivo • T~1.5 GK, ~ 1010 kg/m30.5-1 leto 168O   +  168O   →  2814Si   +  42He   +  9.594 MeV →  3115P   +  11H   +  7.678 MeV →  3116S   +  n  +  1.500 MeV →  3014Si   +  2  11H   +  0.381 MeV →  3015P   +  21H   -  2.409 MeV →  3216S   +  γ →  2412Mg   +  2  42He

34. Gorenje Si • M>8-11 MS • T~2.7- 3.5 GK ~1 dan -2 tedna • Alfa procesi 2814Si  +  42He   →  3216S 3216S  +  42He   →  3618Ar 3618Ar   +  42He   →  4020Ca 4020Ca   +  42He   →  4422Ti 4422Ti   +  42He   →  4824Cr 4824Cr   +  42He   →  5226Fe 5226Fe +  42He   →  5628Ni 56Ni : razpad z =6.02 dni  56Co z =77.3 dni  56Fe

35. 25 Ms

36. Konec gorenja

38. Goriva zmanjka, zvezda se krči (nevtronsko zvezdo ali črno luknjo) gravitacijska energija • Eksplozija supernove: core collapse Sn ali Tip II, Tip Ib, Ic, izbruhi žarkov gama)

39. SN 1604 Keplerjeva SN

40. meglica Rakovica SN 1054

41. SN Tip Ia

42. Produkcija elementov pri SN • T višje – do A=254 • v SN: r-proces – zajetje nevtrona: fluks nevtronov~ 1022 nevtronov/cm2 s! “neutron-rich” izotopi - zajetje protona - fotodizentigracija “neutron poor” izotopi

43. s proces • poznamo tudi s-proces v manj masivnih zvezdah (razvijajo počasi) – • orjakinje AGB: zajetje nevtrona - do A=209

44. Osončje Delitev planetov: • notranji (Merkur, Venera, Zemlja, Mars) • zunanji (Jupiter, Saturn, Uran, Neptun, Pluton) • skalnati (Merkur, Venera, Zemlja, Mars) • plinasti (Jupiter, Saturn, Uran, Neptun) Radioaktivni razpadi grejejo notranjost Zemlje

45. Ljudje • ~ 50% C • ~ 20% O • ~ 8.5% N • ~ 10% težjih elementov • ~ 11,5% H

46. Viri: http://en.wikipedia.org/wiki/Big_bang http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/060915/CMB_Timeline75.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Milky_way http://en.wikipedia.org/wiki/Edwin_Hubble http://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Friedmann http://en.wikipedia.org/wiki/Fred_Hoyle http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2004/07/image/a/warn/ http://www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/10/0.html http://astrophysics.suite101.com/article.cfm/origin_of_the_chemical_elements http://photon.phys.clemson.edu/wwwpages/StarLife.html http://www.ukaff.ac.uk/starcluster/ http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis http://en.wikipedia.org/wiki/Primordial_nucleosynthesis http://en.wikipedia.org/wiki/Supernova_nucleosynthesis http://en.wikipedia.org/wiki/Proton-proton_chain http://en.wikipedia.org/wiki/CNO_cycle http://en.wikipedia.org/wiki/Triple-alpha_process http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_burning_process http://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_burning_process http://en.wikipedia.org/wiki/Neon_burning_process http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_burning_process http://chandra.harvard.edu/photo/2007/sn2006gy/sn2006gy_newline.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Evolved_star_fusion_shells.png http://physics.uoregon.edu/~jimbrau/BrauImNew/Chap20/FG20_08.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Keplers_supernova.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:Crab_Nebula.jpg http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1995/23/image/a http://www.nasaimages.org/index.html