Dlaczego wodoru jest tak dużo we wszechświecie?

Ponad 3/4 składu chemicznego wszechświata – a przynajmniej jego widocznych składników – stanowi wodór. Dlaczego wielki wybuch okazał się tak nieoryginalny prowadząc do masowej produkcji jedynie najprymitywniejszego możliwego pierwiastka, z domieszką helu?

Krótko: Powstanie cięższych pierwiastków niż wodór wymaga udziału neutronów, a tych zawsze mieliśmy deficyt.

Wszędzie wokół nas, w sposób naturalny występują 94 pierwiastki. Jest to jednak tylko pozorna różnorodność – w skali całego wszechświata tylko dwa z nich stanowią ponad 99% całości, z czego 78% zajmuje sam wodór. Taka konfiguracja chemiczna ma prawo Cię dziwić, jeśli słyszałeś kiedyś o tym jak powstała większość atomów budujących nasze ciała oraz planetę, po której szczęśliwie stąpamy. Wszechobecny węgiel, tlen, azot, krzem i cała zgraja lokatorów zajmujących kolejne okienka układu okresowego, produkowana jest w trakcie reakcji termojądrowych towarzyszących egzystencji wszystkich gwiazd na nieboskłonie. Istnienie atomów cięższych od żelaza zawdzięczamy z kolei supernowym, czyli eksplozjom wieńczącym żywot najmasywniejszych spośród nich.

Struktura chemiczna wszechświata

Czego dotyczy wątpliwość? Skoro ciśnienie i temperatura panujące w gwiezdnych jądrach doprowadzają do kreowania niemal całej tablicy Mendelejewa, to dlaczego pierwiastki te nie mogły  powstać już w ogniu wielkiego wybuchu? Dlaczego u zarania wszechrzeczy niezliczone masy cząstek elementarnych uformowały niemal wyłącznie wodór z dodatkiem helu?

Cofnijmy się do pierwszej chwili istnienia, a dokładniej do jakichś dwóch dziesiątych sekundy. Wszechświat jest rozpalony do 20-30 miliardów kelwinów i wypełniony wysokoenergetyczną papką, w której można dostrzec elektrony oraz zalążki pierwszych nukleonów. Mamy więc już do dyspozycji wszystkie składniki konieczne do skonstruowania atomu – jednak wciąż zbyt rozdygotane aby mogły wchodzić ze sobą w komitywę. Oznacza to, iż protony i neutrony pozostają chwilowo swobodne, co jest kluczowe dla rozwiązania naszej zagadki. Powinieneś wiedzieć, iż neutrony będące pospolitym i nieodzownym elementem niemal każdego jądra atomowego (z wyjątkiem wodoru) są… nietrwałe. Nie musisz się obawiać, ponieważ owa chwiejność dotyczy wyłącznie samotnych neutronów; niemniej poza jądrami neutrony giną statystycznie po dziewięciu minutach, najczęściej z uwolnieniem protonu, elektronu i antyneutrina. W odróżnieniu od nich, protony są prawdziwymi twardzielami, o średnim czasie życia w granicach sekstyliona lat (lub dłuższym) – w praktyce będąc cząstkami absolutnie trwałymi.

Już wtedy, w pierwszym momencie po wielkim wybuchu, fizyczna charakterystyka obu nukleonów zadecydowała o przyszłej kompozycji materii. Chociaż przeciętnie neutron znika w ciągu dziewięciu minut, to biorąc w rachubę ogromny dynamizm młodego kosmosu i panujące w nim ekstremalne warunki, wystarczył ułamek sekundy dla zachwiania równowagi. Wiedząc to, słynny teoretyk George Gamow już wiele dekad temu wyliczył, iż zanim temperatura spadła do 10 miliardów kelwinów, na 100 protonów przypadało 60 neutronów, zaś przy miliardzie kelwinów już tylko niecałe 15 neutronów. Dopiero teraz, po upływie trzech minut oddziaływanie silne jest w stanie skleić pierwsze jądra atomów, do których za jakiś czas dołączą elektrony. Co ciekawe pojawiło się wśród nich sporo jąder deuteru (1 proton + 1 neutron), trytu (1 proton + 2 neutrony) i helu He-3 (2 protony + 1 neutron). Izotopy te okazały się jednak niezbyt stabilne – zwłaszcza przy takich energiach – i nie przetrwały próby czasu ustępując miejsca najprostszym i znacznie trwalszym wariantom wodoru oraz helu (2 protony + 2 neutrony). Rzecz jasna, z uwagi na ogromne dysproporcje, większość protonów nie mogła znaleźć dla siebie partnera w formie neutronu. Właśnie dlatego najpowszechniejszym składnikiem wszechświata siłą rzeczy stał się zwykły wodór, złożony wyłącznie z jednego protonu i elektronu. Od tamtej chwili mającej miejsce 13,82 mld lat temu, proporcje między nukleonami we wszechświecie nie uległy znaczącej zmianie.

Jednak nawet rozumiejąc popularność wodoru nadal możesz głowić się nad tym, dlaczego dostępne neutrony pozwoliły na utworzenie jedynie helu? Dlaczego na początku istnienia nie powstało choć trochę tlenu, węgla, magnezu, wapnia i tak dalej? Natura działa w sposób dość oczywisty, próbując formować po kolei to co najłatwiejsze. Tymczasem po helu, następne w kolejce stoi jądro zawierające pięć nukleonów – jednak takowe (stabilne) w przyrodzie nie funkcjonuje. Zmusza nas do przerwania ciągu i “przeskoku” do litu-6 i litu-7, dalej berylu i boru. Niewykluczone, że pierwotna nukleosynteza skleciła nieco tych pierwiastków, ale nawet łącznie nie stanowiły one więcej niż tysięcznej części całości. Potem musielibyśmy wykonać kolejny “skok” bo brakuje trwałego jądra z ośmioma nukleonami. W ten sposób otrzymujemy swego rodzaju brakujące ogniwa, które skutecznie wyhamowały procesy jądrotwórcze przed dotarciem do węgla, azotu i tlenu.

Warto dodać, iż szacunki Gamowa powstały na bazie rozważań o warunkach panujących w początkach wszechświata. Przewidziana przez niego chemiczna struktura kosmosu – rewelacyjnie potwierdzona przez późniejsze obserwacje – stanowi jeden z najcenniejszych argumentów potwierdzających teorię wielkiego wybuchu.

Kwantowe Pigułki #7: Czym jest osobliwość? Czy odkryliśmy już grawitony? Jak beznadziejnie słaba jest grawitacja?