Sedan det periodiska systemet uppfanns för 150 år sedan denna månad, forskare har arbetat med att fylla i raderna av element och förstå deras egenskaper.

Men forskare har också bedrivit en parallell strävan:att genomsöka kosmos för att ta reda på var alla 118 element kom ifrån.

Efter århundraden av ansträngning, de har bestämt att den stora majoriteten av elementen smiddes i stjärnornas eldiga liv och märkliga dödsfall. De genomsyrar nu galaxer, ingjuta nästa generation av stjärnor och planeter med kemisk mångfald.

Verkligen, varje grundämne på jorden – förutom några som nyligen tillverkats av människor – ärvdes från nebulosan som födde vårt solsystem för 4,5 miljarder år sedan. Det inkluderar järnet i våra skyskrapor, kislet i våra datorer, guldet i våra smycken, och kalcium i våra ben.

"Det finns ett verkligt samband mellan vår galax - vårt universum - och vår mänsklighet på grund av elementen." sa John Cowan, en astrofysiker vid University of Oklahoma.

Så hur fyllde naturen upp det periodiska systemet? Berättelsen börjar från början.

Själva början.

Inom 15 minuter efter Big Bang, väteatomer (atomnummer 1) koaleserade ut molnet av nyfödda partiklar när det expanderade och kyldes. Några av dem kombinerades snabbt för att göra helium (atomnummer 2).

Dessa två grundämnen utgör fortfarande 98 procent av universum, och de är de primära ingredienserna i stjärnor. En banbrytande astronom vid namn Cecilia Payne-Gaposchkin upptäckte detta när hon publicerade den första exakta uppskattningen av solens sammansättning 1925, störta den rådande tron ​​att den liknade jordens.

De allra första stjärnorna bildades cirka 100 miljoner år efter Big Bang, sa Jennifer Johnson, en astronom vid Ohio State University som skrev en recension av elementärt ursprung i fredagens nummer av Science för att fira det periodiska systemets sjuhundraårsjubileum.

Dessa stjärnor var massiva, och i miljoner år, de genererade energi genom att "bränna" väte – kombinera atomer till helium genom kärnfusion på det sätt som solen gör idag.

Så småningom, dock, alla stjärnor får slut på vätebränsle. Sedan börjar de göra allt tungare element i en allt mer frenetisk takt, fylla i de kommande tre raderna i det periodiska systemet i processen.

Ett tag, de bränner helium till kol (atomnummer 6) och syre (atomnummer 8). Under de sista århundradena av en massiv stjärnas liv, det omvandlar kol till element som natrium (atomnummer 11) och magnesium (atomnummer 12).

Under de sista veckorna, syreatomer smälter samman till kisel (atomnummer 14), fosfor (atomnummer 15), och svavel (atomnummer 16). Och under de allra sista dagarna av en stjärnas mycket långa liv, den producerar metaller som järn (atomnummer 26).

Det är något underbart prosaiskt med det, sade Johnson. "Det är en mänsklig tidsskala."

Därefter kommer vad astronomer olycksbådande kallar "järnkatastrofen". Fusion kan inte kombinera element tyngre än järn, så stjärnan tar plötsligt slut på juice.

"Det går i fritt fall, " sa Johnson.

På mindre än en sekund, stjärnan kollapsar på sig själv och exploderar sedan som en supernova – och spyr ut sina nypräglade element i universum.

Supernovor kan också släppa lös kosmiska strålar som bryter isär större atomer för att skapa litium (atomnummer 3), beryllium (atomnummer 4) och bor (atomnummer 5). Denna process är huvudkällan till dessa element i universum.

Att grundämnen upp till järn kokades upp i stjärnor har varit mer eller mindre avgjort i decennier, tack vare den brittiske astronomen Fred Hoyles arbete. Ursprunget till resten av elementen har varit svårare att fastställa.

Början på ett svar kom i ett landmärke från 1957 skrivet av Caltech-astronomen Margaret Burbidge och hennes man, George, tillsammans med Hoyle och en annan framstående vetenskapsman, William Fowler. (Pappret, som börjar med Shakespeares funderingar om stjärnorna, har sedan dess blivit så berömd att forskare helt enkelt refererar till det som B2FH, för dess författares initialer.)

Tunga grundämnen bildas när en fröatom som kol eller järn bombarderas med neutroner och fångar dem i sin kärna.

"Det sväljer dem alla, sa Anna Frebel, en astronom vid MIT. "Då är frågan, gillar den det eller inte? Och vanligtvis, det gör det inte." Så atomen genomgår radioaktivt sönderfall, och framstår i slutändan som ett tyngre och mer stabilt element.

B2FH lade upp fysiken för hur denna process kunde ske snabbt eller långsamt.

En uppenbar kandidat för den snabba processen var kaoset av en supernova. Men de senaste åren, forskare har börjat ifrågasätta den idén. "Det finns förmodligen inte tillräckligt med humör ens i en massiv supernovaexplosion för att skapa alla dessa element, sa Frebel.

En del av bevisen kommer från Frebels forskning om en liten galax som innehöll högar av guld och andra tunga grundämnen. Om alla hade varit resultatet av supernovor, det skulle ha krävt så många att "du kommer att spränga galaxen isär, " Hon sa.

Istället, forskare har börjat gynna ett annat fenomen:sammanslagningar mellan neutronstjärnor.

Neutronstjärnor är ultratäta sfärer som lämnats kvar efter massiva stjärnors död. De kan ha diametrar så små som 12 miles och massor upp till 2,5 gånger solens. Ibland, två av dem låses in i en dödlig tango, spiral mot varandra tills de kolliderar.

Dessa sammanslagningar släpper ut ett regn av neutroner som är tillräckligt intensivt för att skapa de tyngsta elementen i universum, som uran (atomnummer 92) och plutonium (atomnummer 94).

Denna idé stärktes 2017, när laserinterferometerns gravitationsvågobservatorium upptäckte en kollision med neutronstjärnor för första gången. Forskare studerade ljuset från explosionen och fann fingeravtrycken från tunga grundämnen, inklusive guld.

Forskare måste fortfarande reda ut de relativa rollerna för sammanslagningar av superovae och neutronstjärnor. Men Frebel sa att forskare kommer närmare att förstå källan till varje element.

"Den sista stora luckan har stängts, sa hon. Det är bara trevligt.

De första sammanslagningarna av neutronstjärnor inträffade efter att den första generationen stjärnor dog, och de stänkte kosmos med alla slags nya atomer.

Det inkluderar några som är så instabila att de inte existerar i vårt solsystem idag - förutom några millisekunder i en forskares labb.

"Du susar hela vägen genom det periodiska systemet, ", sa Johnson. "Så inom cirka 200 miljoner år efter Big Bang, du har gjort något av varje element."

Men universums sammansättning förändrades hela tiden. Under de kommande 1 miljard åren, nya kosmiska processer började öka mängden av vissa element när mindre stjärnor började bildas.

Dessa stjärnor är inte tillräckligt stora för att producera något som är tyngre än kol och syre – eller att blåsa upp som massiva supernovor. Istället, när fusionen i deras kärnor upphör, de förfaller till vita dvärgar.

Vita dvärgar kan kollidera, utlöser en skenande fusionsprocess som omvandlar nästan allt i stjärnan till järn. "Du kan skapa i princip en järnbomb, sa Frebel.

Före det, under deras utdragna dödsfall, vissa lågmassa stjärnor kan också inkubera tunga grundämnen. Neutroner som blivit över från deras heliumbrännande dagar glom in på kärnorna hos andra element med en hastighet av ungefär en med några veckors eller månaders mellanrum, gradvis bygga tyngre atomer som rör sig över det periodiska systemet.

Det krävs mer än 100 infångade neutroner för att omvandla en järnatom till ett sällsynt jordartsmetall som lantan (atomnummer 57) eller lutetium (atomnummer 71). Dock, det finns gott om dessa stjärnor, och de hänger kvar länge, så de producerar ungefär hälften av grundämnena tyngre än järn.

En astronom vid namn Paul Merrill hittade bevis för denna process 1951. Arbetade vid Mount Wilson Observatory ovanför Los Angeles, han identifierade det radioaktiva grundämnet teknetium (atomnummer 43) i en sjuk, gammal stjärna.

Forskare visste att teknetium var instabilt och snabbt förföll. Det betydde att det inte kunde ha ärvts av en stjärna som redan var miljarder år gammal, Merrill insåg. Det enda sättet som elementet kunde ha kommit dit var om stjärnan hade klarat sig.

I dag, 13,8 miljarder år efter Big Bang, stjärnor har omvandlat cirka 2 procent av universums väte och helium till andra grundämnen.

De finns nu i varierande mängd, beroende på frekvensen och produktiviteten hos de processer som skapar dem. Platina (atomnummer 78), till exempel, är en miljon gånger mer sällsynt än järn eftersom sammanslagningar av neutronstjärnor inte sker särskilt ofta. (Det är en anledning till varför ädla metaller är ädla, sa Cowan.)

Närvaron av element som kol och syre hjälpte till att kyla galaxens hörn så att mindre stjärnor som solen kunde bildas. Och uppkomsten av metaller tillät solsystem att komma fram från skivorna av gas och damm som virvlade runt dessa nya stjärnor.

"Det finns nu tillräckligt med skräp i skivan för att du kan bilda planeter, "Sade Johnson. "Ju mer järn jämfört med väte, desto mer sannolikt är det att vi hittar en Jupiter."

Det ökande förhållandet mellan järn och element som syre ökade också chanserna att bilda steniga planeter med stora kärnor, som jorden. (Stora kärnor kan tjäna många funktioner, inklusive generering av ett magnetfält som skyddar liv.)

När universum åldras, elementen i den blir tyngre. Och på cirka 10 biljoner år, när stjärnbildningen har brustit, dess sammansättning kommer att sluta ändras.

Det finns debatt om hur mycket väte som kommer att finnas kvar vid den tidpunkten. Johnson tror att en hel del kommer att finnas kvar i det intergalaktiska mediet, medan Frebel misstänker att det mesta kommer att ha förvandlats.

Men det kommer fortfarande att finnas i en annan mening, Hon sa, eftersom alla grundämnen egentligen bara är omarrangemang av väteatomerna som bildades under de första minuterna efter Big Bang. De har sparkat runt i kosmos sedan dess, i ett eller annat element. Några hamnade här på jorden, där de utgör allt. Inklusive oss.

Den älskade astronomen Carl Sagan var förtjust i att säga att "vi är gjorda av stjärnprylar."

Det är inte allt, Fredel sa:"Vi är också Big Bang-grejer."

©2019 Los Angeles Times
Distribueras av Tribune Content Agency, LLC.