Jag blir ofta tillfrågad av elever i mina astronomiklasser i samhället om några nya element har hittats i yttre rymden okända på jorden. Svaret på frågan är nej – naturen använder samma 98 naturliga element för att skapa allt från de välbekanta stjärnorna och planeterna till de i de längsta galaxerna vi kan se. Utanför en enstaka förening eller mineral är jorden platsen där du hittar mer exotiska element än någon annanstans i universum.
Ett grundämne är ett rent ämne som består av bara en typ av atom. Det som skiljer ett element från ett annat är antalet protoner i kärnorna i dess atomer. Varje atom med sex protoner kommer alltid att vara kol, 79 protoner guld, 94 protoner plutonium och 1 proton väte. Protonnumret är också grundämnetsatomnummerpå periodiska systemet för grundämnen . Elementen i tabellen är ordnade efter deras atomnummer.
Atomer är gjorda av protoner, neutroner och kretsande elektroner. Antalet protoner i atomkärnan gör den unik från alla andra. Väte, det enklaste grundämnet, har en; kol har sex.
De två vanligaste grundämnena är väte och helium, nummer 1 och 2 i det periodiska systemet; tillsammans utgör de 98 % av all synlig materia i universum. De återstående 2% inkluderar allt annat från lättvikt litium (nummer 3) ända upp till californium (98), det tyngsta naturliga grundämnet som finns på jorden och i stjärnorna. Californium är instabilt och 'förfaller' till enklare grundämnen. Även om forskare gör det i labbet genom att bombardera berkelium (97) med neutroner finns spårmängder av detta mycket sällsynta grundämne naturligt i rika uranfyndigheter.
När jag gick på gymnasiet och studerade kemi, slutade det periodiska systemet för grundämnen på Lawrencium (103). För närvarande finns det 118 element, den senaste som skapats i labbet är en natt (du-nej-NOC-tee-um). Faktum är att alla element bortom 98 är konstgjorda, väcks till liv i kärnreaktorer eller i experiment med partikelacceleratorer. De lever väldigt korta liv. Med så många positivt laddade protoner som trycker mot varandra i sina kärnor bryts dessa grundämnen snabbt isär till enklare i en process som kallas radioaktivt avfall .
Konstnärens idé om de första stjärnorna i universum som tändes cirka 200 miljoner år efter Big Bang. Dessa första solar var gjorda av nästan rent väte och helium. De och senare generationer kokade ihop tyngre element som senare införlivades i solen och oss. Kredit: NASA/WMAP Science Team
Tillbaka vid tiden för Big Bang, när universum uppstod, var bara de enklaste grundämnena – väte, helium och spårmängder av litium – kokade upp. Du kan inte bygga en planet av så fluffiga saker. Det tog den första generationen stjärnor, som bildades av dessa grundläggande byggstenar, för att syntetisera mer komplicerade grundämnen som kol, syre, svavel och liknande via kärnfusion i deras kärnor.
När stjärnorna exploderade som supernovor sprängdes inte bara dessa helt nya grundämnen ut i rymden, utan den enorma värmen och trycket under explosionen byggde upp ännu tyngre grundämnen som guld, koppar, kvicksilver och bly. Alla blev inkorporerade i en andra generation av stjärnor. Och en tredje.
De 2 % av stjärntillverkade grundämnen, som bland annat inkluderar kol, syre, kväve och kisel, gick till att bygga planeterna och blev senare viktiga för livet. Vi är gjorda av högbearbetat material du och jag. Våra varelsers atomer har varit in och ut ur kärnorna i flera generationer av stjärnor. Tänk på det här bra och hårt så kanske du bara får kontakt med din egen 'inre stjärna'.
Vanligt bordssalt bildas av tättslutande atomer av natrium och klor. Varje grundämne har sin egen individuella karaktär - den ena är en brandfarlig metall (natrium), den andra en farlig gas. Sätt ihop dem och ut kommer en säker, smakrik krydda. Kredit: Wikipedia
Låt oss omformulera frågan om exotiska material i rymden som inte finns på jorden. Istället för element, om vi tittar på sammansättningar, slår vi smuts. En förening är också ett rent ämne men består av två eller flera kemiska element sammanfogade. Bekanta föreningar inkluderar vatten (två väten sammanfogade med ett syre) och salt (ett natrium och ett klor).
Ett urval av molekyler (kemiska föreningar) inklusive vatten som hittats i Orionnebulosan upptäckt av Herschel Space Telescope. Kredit: ESA, HEXOS och HIFI-konsortiet E. Bergin
Astronomer har hittat ca 220 föreningar eller molekyler i yttre rymden, många av dem med syskon på jorden men några utomjordingar. Vi behöver inte leta långt för att hitta dem eftersom några har levererats direkt till vår dörr som steniga paket som kallas meteoriter. Här är en kort lista över nya mineraler som bildades inom asteroider (där meteoriter har sitt ursprung) under förhållanden som skiljer sig mycket från dem som finns på jorden:
* Barringerite – en metallförening gjord av järn, nickel och fosfor
* Oldhamite – brunt mineral gjord av kalcium, magnesium och svavel
* Kosmochlor – grönt mineral som innehåller kalcium, krom, kisel och syre
Vad sägs om nya saker på planeter och kometer? Astronomer har upptäckt föreningar i atmosfärerna på jätteplaneterna Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus. silan (kisel-väte), arsin (arsenik-väte) och fosfin (fosfor-väte) som inte finns naturligt på jorden. Människor har skapat alla tre i labbet och använt dem väl i olika industrier, inklusive tillverkning av halvledare.
Helium, gasen som flyter våra ballonger, upptäcktes först i solens spektrum av den franske astronomen Pierre Janssen under en solförmörkelse 1868. Forskare hittade det till slut på jorden 1895. Klicka för att lära dig heliumberättelsen. Kredit: Bob King
Och så finns det Brownleeite , en mangansilicid som hittades 2003 i en dammpartikel som fälldes av kometen 26P/Grigg-Skjellerup. På väg bortom solsystemet ser astronomer ovanliga långkedjiga kolmolekyler i rymden som inte kunde bildas på jorden eftersom syre skulle slita isär dem. Rymden är deras fristad.
Så jorden är platsen i universum där du hittar mer exotiska element än någon annanstans. Tack vare mänsklig aktivitet och de komplicerade molekylerna som lindas ihop för att bilda liv, är jorden den mest exotiska platsen i universum.