Periodiek Systeem der Elementen
1. De oorsprong van de elementen die voorkomen in hetPeriodiek Systeem der Elementen van de Rus Dmitri Mendelejev (1869)
Alle waterstof (H) in ons lichaam, dat aanwezig is in ieder koolwaterstofmolucuul (zoals in suikers, eiwitten en vetten) en in ieder molucuul water, ontstond lang geleden meteen in het begin van het heelal tijdens de zogenaamde oerknal.
De oerknal is ook de enige bron van waterstofgas dat als eerste werd gevormd. Dat waterstofgas werd vervolgens verdicht tot sterren.
Alle koolstof (C), stikstof (N) en zuurstof (O) in ons lichaam ontstond daarna door kernfusie in het inwendige van sterren, die ver weg stonden; veel van het ijzer (Fe) in ons lichaam ontstond tijdens supernova's van sterren.
Elementen zoals calcium (Ca), fosfor (P), zwavel (S) en koper (Cu) ontstonden tijdens de explosie aan het einde van het bestaan van grote sterren en witte dwergen. Sommige zijn slechts in kleine hoeveelheden in ons lichaam aanwezig, maar onontbeerlijk voor een goede gezondheid. De elementen silicium (Si), aluminium (Al) en magnesium (Mg), nodig om de gesteenten van een vaste planeet zoals de aarde te kunnen vormen, ontstonden ver weg door supernova's van opgebrande sterren.
Door de beweeglijkheid in het heelal werden al deze stoffen dooreengemengd en overal verspreid, waardoor uiteindelijk door verdichting ons sterrenstelsel, zonnestelsel en onze planeet aarde met haar maan kon worden gevormd.
Periodiek Systeem der Elementen
The hydrogen in your body, present in every molecule of water, came from the Big Bang. There are no other appreciable sources of hydrogen in the universe. The carbon in your body was made by nuclear fusion in the interior of stars, as was the oxygen. Much of the iron in your body was made during supernovas of stars that occurred long ago and far away. Elements like phosphorus and copper are present in our bodies in only small amounts but are essential to the functioning of all known life. The gold in your jewelry was likely made from neutron stars during collisions that may have been visible as short-duration gamma-ray bursts or gravitational wave events.
The featured periodic table is color coded to indicate humanity's best guess as to the nuclear origin of all known elements. The sites of nuclear creation of some elements, such as copper, are not really well known and are continuing topics of observational and computational research.
2. Elementenvorming in het heelal
Hoe gaat ruimtetelescoop SPICA het geheim van het leven op aarde ontrafelen, dat samenhangt met de elementenvorming in het heelal? Een mysterie dat onlosmakelijk met de geschiedenis van het heelal is verbonden.
Vraaggesprek met Peter Roelfsema, hoofdonderzoeker van SAFARI
NEMO Kennislink, door Roel van der Heijden, 08-05-2020
Onze planeet staat bol van het leven. Daarvoor moesten er nogal wat moeilijkheden worden overwonnen. In het kosmische perspectief zijn twee dingen van belang:
- onze zon die de ijzingwekkende gemiddelde temperatuur van het universum van zo'n minus 270 graden Celsius verhoogt naar omstandigheden voor vloeibaar water,
- en een aardbol met de juiste chemische elementen voor het ontstaan van leven.
Hoe het heelal van een oerknal, waaruit voornamelijk waterstof en helium voortkwam, tot een chemisch 'verrijkt' universum vol zwaardere elementen kwam, waarmee op minstens één plek - de aarde - leven ontstond, is voor de wetenschap allerminst duidelijk. Ruimtetelescoop SPICA (Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) moet duidelijkheid geven.
Vanaf 2032 kan hij de samenstelling en dynamiek van een groot aantal verre sterrenstelsels meten en de vraag beantwoorden, waardoor de stervorming zo'n tien miljard jaar geleden stokte. Dichter bij huis bekijkt de telescoop hoe zonnestelsels zoals het onze ontstaan, wanneer schijven van gas en stof 'instorten' (zich verdichten) onder invloed van de zwaartekracht.
Een rem op de vorming van sterren
Juist onze kennis over de evolutie van het heelal kan SPICA vergroten. Astronomen denken te weten dat het universum met een compacte en hete oerknal begon. De ruimte was na een fase van sterke uitdijing in de eerste miljoenen jaren gelijkmatig gevuld met zo'n driekwart waterstof en een kwart helium, elementen die direct werden gevormd uit de oerknal. Het was een steeds kouder wordend en pikdonker universum.
Dat duurt tot het moment dat zich de eerste sterren vormen, pakweg een miljard jaar na de oerknal. Het licht ging langzaam aan. Stervorming gebeurt doordat waterstof en helium op bepaalde plekken samenballen onder invloed van de zwaartekracht. Er ontstaan grote bollen van waterstof en helium, waarbinnen de druk en temperatuur zó hoog zijn, dat deze elementen fuseren tot zwaardere elementen. Zo ontstaan koolstof, stikstof, zuurstof en fosfor en in een later stadium ook silicium, ijzer en andere elementen, noodzakelijk voor het ontstaan van levensvormen.
De eerste sterren waren op hun beurt met honderden miljarden exemplaren verenigd in grote sterrenstelsels, die door de zwaartekracht bij elkaar werden gehouden. Wanneer een ster geen waterstof of helium meer heeft - de brandstof waarmee ze schijnen - dan eindigt het merendeel in een catastrofale explosie, een 'super nova', die de geproduceerde nieuwe elementen in de ruimte verspreidt. Op die manier 'verrijken' sterren in de loop van miljarden jaren het universum met steeds zwaardere elementen.
Stervorming in melkwegstelsels ging in de loop van de eerste paar miljard jaar steeds sneller. De zwaartekracht kreeg meer en meer grip op de grote gaswolken en transformeerde ze tot meer en grotere sterrenstelsels. Maar toen gebeurde er iets vreemds. Zo'n acht tot tien miljard jaar geleden (vier tot zes miljard jaar na de oerknal) ging de stervorming plots weer langzamer. De snelheid bereikte een maximum en begon daarna af te nemen. Er werden steeds minder sterren(stelsels) gevormd.
"Niemand weet waarom," zegt Roelfsema. "Er zijn wat ideeën dat bijvoorbeeld het bouwmateriaal (waterstof en helium - red.) opraakte of dat grote zwarte gaten in de sterrenstelsels stervorming verstoren, doordat ze agressief materiaal de ruimte in slingeren. Stervorming is namelijk verbonden aan voorwaarden: er mag niet te weinig materiaal zijn, maar ook niet te veel."
Er zijn computermodellen die de evolutie van het heelal beschrijven, van het begin met een oerknal tot een planeet met leven, zoals de aarde, rondom een ster als de zon. "Erg mooi, alleen zitten die modellen vol met aannames waarvan we eigenlijk zeker weten dat een deel niet klopt," zegt Roelfsema. "Wij zien dat de structuur van het jonge universum in die modellen niet dezelfde is, als wat we nu zien in het diepe (en dus jonge) universum. Wat zijn de druk en temperatuur in die jonge sterrenstelsels geweest? Hoeveel stikstof, fosfor en ijzer zat er werkelijk in die stelsels? In computermodellen kiezen we die waarden nu precies zo dat we een goede uitkomst krijgen voor het universum dat we nu hebben."
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink/Madau et al. 2014/ESO via CC BY 4.0
SPICA gaat de modellen voor het eerst van harde data voorzien. Welke stoffen waren in welke mate aanwezig in vroege sterrenstelsels? Hoe stroomde het gas (materiaal voor nieuwe sterren) erdoorheen? De infraroodtelescoop kijkt in tegenstelling tot bijvoorbeeld ruimtetelescoop Hubble niet naar de 'buitenkant' van sterrenstelsels, maar is in staat infraroodstraling uit de kern van het sterrenstelsel op te vangen. Dat levert overigens niet de oogstrelende foto's op die we van Hubble gewend zijn. De sterrenstelsels die SPICA onderzoekt staan zó ver weg, dat ze niet meer dan een 'stipje' zijn in het blikveld van de telescoop.
Van schijf naar zonnestelsel
SPICA neemt ook zogenoemde protoplanetaire schijven in onze eigen Melkweg in het vizier, het embryonale stadium van zonnestelsels zoals het onze. Deze schijven zijn snel draaiende gas- en stofwolken met in het midden een ontbrandende ster. In de loop van miljoenen jaren klontert zo'n wolk samen tot een keurig planetenstelsel waarin een aantal planeten in een vlak in de dezelfde richting om de ster heen draaien. Helaas zijn ze nog steeds te ver weg voor mooie plaatjes, aldus Roelfsema.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) via CC BY 4.0
Het idee dat dat sterren en planeten zich uit gaswolken vormen is zo'n twee eeuwen oud en sinds 2012 is er een observatorium dat dit echt goed kan zien. Radiotelescoop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), waar NEMO Kennislink vorig jaar op bezoek ging, heeft vanuit de woestijn in Chili al tientallen protoplanetaire schijven waargenomen, inclusief de plekken waar zich nu planeten vormen.
SPICA vult de radiowaarnemingen van ALMA aan met informatie uit het infrarode spectrum. Daarmee is de verdeling van water en koolstofdioxide te zien, stoffen die in ijsvorm aanwezig zijn. Dit ijs verraadt bovendien onder welke omstandigheden het ontstond. "Met SPICA onderscheiden we verschillende 'soorten ijs' die bij een andere temperatuur en druk ontstaan. Het is een manier om de omstandigheden van nu en in de verleden van die schijven te bepalen. Bovendien zien we of het materiaal is vastgevroren aan steen of ijzer," aldus Roelfsema.
3. Gebrek aan fosfor speelt buitenaards leven mogelijk parten
donderdag 5 april 2018, Royal Astronomical Society
in allesoversterrenkunde.nl
Onderzoek door astronomen van de universiteit van Cardiff wijst erop dat er in het heelal een tekort aan fosfor bestaat. Fosfor is een chemisch element dat een belangrijke rol speelt bij het leven op onze planeet. Waar dit element schaars is, zou leven zoals wij dat kennen wellicht niet mogelijk zijn.
Fosfor is een van de slechts zes chemische elementen waar aardse organismen van afhankelijk zijn (koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor). Het is een cruciaal bestanddeel van adenosinetrifosfaat (ATP), dat cellen gebruiken voor de opslag en overdracht van energie en voor botvorming.
Fosfor wordt geproduceerd door supernova's - de explosies van zware sterren. Maar de hoeveelheden van dit element die tot nu toe in onze Melkweg zijn waargenomen, komen niet altijd overeen met de uitkomsten van computermodellen. Zo laat recent onderzoek met de William Herschel Telescope op La Palma zien dat de Krabnevel, het restant van een supernova die in het jaar 1054 verscheen, veel minder fosfor bevat dan de supernovarest Cassiopeia A.
Mogelijk moet de oorzaak van het verschil worden gezocht bij het soort ster dat is ontploft. In het geval van Cassiopeia A zou dat een zeldzame superzware ster kunnen zijn geweest. Hoe dan ook: als het om fosfor gaat is de ene supernova blijkbaar de andere niet.
Als dit (voorlopige) onderzoeksresultaat klopt, zouden de hoeveelheden fosfor in onze Melkweg forse lokale variaties kunnen vertonen. En dat zou dan weer betekenen dat op lang niet alle planeten voldoende fosfor beschikbaar is voor de aanmaak van adenosinetrifosfaat.
Het nieuwe resultaat is gepresenteerd op de European Week of Astronomy and Space Science in Liverpool. (EE)
4. Belangrijk ingrediënt voor leven kan wel eens zeldzamer zijn gedacht
Scientias, 6 april 2018 Caroline Kraaijvanger
Waar hangt al dat fosfor uit?
Nieuw onderzoek suggereert dat er in de ruimte wel eens sprake kan zijn van een tekort aan fosfor. En dat kan slecht nieuws zijn voor het ontstaan van buitenaards leven. Op onze planeet is fosfor namelijk één van de zes elementen die cruciaal zijn voor leven (zie kader).
Zes elementen
Het leven op aarde is gebaseerd op zes belangrijke elementen: koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor. Het menselijk lichaam is voor meer dan 97%(!) uit deze elementen opgebouwd en elk element speelt een belangrijke rol. Zo is zuurstof belangrijk voor de verbranding van glucose, terwijl fosfor onder meer belangrijk is voor de opbouw van onze botten en voor de energievoorziening in cellen door ATP, adenosinetrifosfaat.
Supernova
Onderzoekers vroegen zich af hoeveel fosfor er in de ruimte te vinden is. Om daar een beeld van te krijgen, richtten ze zich op het restant van een geëxplodeerde ster: de Krabnevel. "Fosfor ontstaat tijdens supernova's: de explosies van zware sterren," legt onderzoeker Jane Greaves uit. "Maar de hoeveelheden die we tot op heden gezien hebben, komen niet overeen met onze computermodellen."
Cassiopeia A
Eerder werd al in een ander supernovarestant - Cassiopeia A - gezocht naar fosfor. En nu werd dus de Krabnevel onder de loep genomen. Het stelt onderzoekers in staat om de hoeveelheid fosfor in twee supernovarestanten met elkaar te vergelijken. En dat levert verrassende (voorlopige) resultaten op.
Verschillen
De delen van de Krabnevel die de onderzoekers tot op heden hebben bestudeerd, blijken namelijk veel minder fosfor te herbergen dan Cassiopeia A. "De twee explosies lijken van elkaar te verschillen, mogelijk doordat Cassiopeia A het resultaat is van een explosie van een zeldzame superzware ster," legt onderzoeker Phil Cigan uit. "Wij hebben zojuist om meer observatietijd gevraagd om te checken of we geen fosforrijke regio's in de Krabnevel hebben gemist."
Tekort?
De voorlopige resultaten lijken er in ieder geval op te wijzen dat het materiaal dat supernova's weg slingeren van ster tot ster qua samenstelling sterk verschilt. Het zou betekenen dat er regio's in de ruimte zijn waar een tekort aan fosfor is en leven zoals wij dat kennen dus niet of heel lastig kan ontstaan.
Meer onderzoek is hard nodig. De onderzoekers hopen binnenkort dan ook nog andere supernovarestanten te bestuderen en vast te stellen hoeveel fosfor zij bezitten. Dan zal ook moeten blijken of dit element - dat zo belangrijk is voor het leven op aarde - echt zeldzamer is dan gedacht.
Bronmateriaal: "Paucity of phosphorus hints at precarious path for extraterrestrial life" - Royal Astronomical Society
terug naar het antropisch principe
^