Происхождение химических элементов

Химические элементы появились не в одном событии. Водород и большая часть гелия возникли в ранней Вселенной, углерод и кислород синтезировались в звёздах, а значительная доля элементов тяжелее железа потребовала потоков нейтронов во взрывах и слияниях компактных объектов. Периодическая таблица хранит историю нескольких разных процессов.

Первые минуты: водород, гелий и немного лития

Когда расширяющаяся Вселенная достаточно остыла, протоны и нейтроны смогли образовать лёгкие ядра. Первичный нуклеосинтез дал в основном водород и гелий, а также малые количества дейтерия, гелия-3 и лития. Температура и плотность быстро падали, поэтому этот этап не построил весь набор тяжёлых элементов.

Звёзды превращают лёгкие ядра в более тяжёлые

В ядре звезды слияние водорода поддерживает давление и создаёт гелий. После исчерпания водорода достаточно массивные звёзды могут последовательно синтезировать углерод, кислород, неон, магний, кремний и ядра железной группы. Конкретная цепочка зависит от массы и стадии эволюции звезды.

Слияние ядер вплоть до железной области может выделять энергию. Для построения ещё более тяжёлых ядер обычное последовательное слияние становится энергетически невыгодным, поэтому вступают в работу другие механизмы.

Медленный и быстрый захват нейтронов

При s-процессе ядра сравнительно медленно захватывают нейтроны, успевая между захватами претерпевать бета-распад. Он идёт, в частности, в поздних стадиях эволюции звёзд и создаёт многие тяжёлые изотопы.

При r-процессе поток нейтронов настолько велик, что захваты следуют быстрее распадов. Наблюдение гравитационных волн и света от слияния нейтронных звёзд GW170817 подтвердило, что такие события производят тяжёлые элементы. Вклад разных типов сверхновых и других редких источников продолжает уточняться.

Есть и дополнительные пути

Часть лития, бериллия и бора образуется, когда космические лучи разбивают более тяжёлые ядра в межзвёздной среде. Некоторые редкие изотопы возникают в особых звёздных оболочках или взрывных процессах. Поэтому фраза «все элементы сделаны в сверхновых» удобна, но неверна.

Выброшенное звёздами вещество смешивается с межзвёздным газом и входит в новые поколения звёзд и планет. Атомы в земных породах и живых организмах имеют разное происхождение: одни старше первых звёзд, другие были собраны ядерными реакциями задолго до образования Солнечной системы.