Grundstoffer i verdensrummet – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Astrofysik > Grundstoffer i verdens...

09. februar 2009

Grundstoffer i verdensrummet

Hej Spørg om Fysik
I hvor stor udstrækning dur vores periodiske system udenfor vor galakse?

Når man f.eks. snakker om "Det mørke stof", i hvilken retning kigger forskerne så efter en løsning, altså på den atomstruktur vi allerede kender med protoner, elektroner og neutroner, eller kigger man i en helt nye retninger?

Kunne man ikke forestille sig, at der mangler nogle hovedgrupper i det periodiske system?

Med venlig hilsen
F H G

Stort set al viden vi har om grundstofferne i verdensrummet, kommer via elektromagnetisk stråling. Det vil sige røntgenstråling, ultraviolet lys, synligt lys, infrarød lys, mikro- og radiobølger.

Vi undersøger naturligvis også meteorsten og meteoritter, og endeligt har vi jo været på bl.a. både Månen og Mars, hvor vi har set på grundstofferne. Ifølge sagens natur har vi ikke kunne tage andre prøver rundt omkring. Strålingen har vi så sammenholdt med den jordiske fysik og kemi. 

Forsøg med acceleratorer osv., samt vor nuværende forståelse af naturen, og derfra er så kommet de modeller, vi har for Big Bang, grundstoffernes opståen i stjernerne og stjernernes opbygning.

Nedenfor vises det elektromagnetiske speltrum

Plancks strålingslov 

Når man opvarmer en massiv klump stof, giver varmestrålingen via Plancks strålingslov oplysning om temperaturen af legemet. Vi kender det fra hverdagen: svagt rødglødende jern, når vi måler det er temperaturen 6-800 ⁰C, gulligt glødende op til ca. 1200 ⁰C osv., se også under fysik: Varmestråling fra radiatorer, Planckkurver.

Opvarmer man en tynd gas vil den begynde at udsende lys f.eks. Kviksølvlamper, Neonrør, svejsebuer, Natriumlamper (de grimme gule f.eks. på havne). Alle stoffer i gasform opvarmet tilstrækkeligt vil lyse. Alle grundstoffer kan fordampes når bare temperaturen er tilstrækkelig høj.

Sender man lyset igennem et spektroskop viser stoffets unikke fingeraftryk sig i form af farvede linjer. Det blev opdaget af bl.a. Bundsen Kirchhoff og Frauenhofer midt i 1800-tallet.

[ Joseph von Fraunhofer, D, 1787 - 1826, Robert Wilhelm Eberhard  Bunsen, D, 1811 - 1899, Gustav Robert Kirchhoff, D,  1824 - 1887].

Spektroskopet 

Et spektroskop er et apparat, hvor en lysstråle fra stoffet sendes igennem en glasprisme eller et gitter. Derved opdeles lys i forskellige farver, og sendes i  forskellig retning efter prismen eller gitteret, og man kan så måle, hvor meget lys der kommer i hver bølgelængde.  Nedenfor vises et kontinuert spektrum.

Denne og de øvrige figurer er taget fra astro.uiuc.edu, harmsy.freeuk.com og wikipedia.

Hvert stof udsender et antal linjer, i det synlige udsender f.eks. Natrium to tætliggende gule linjer ved 588,9950 nm og 589,5924 nm (vi kan se fra ca. 400 nm til ca. 700 nm, 1 nm er en milliontedel mm), kviksølv udsender 5-7 kraftige linjer: violet, blå, blågrøn, grøn, gul og orange, son i virkeligheden er flere linjer hvert sted. Jern udsender over 1500 linjer. Disse spektrallinjer kan brugestil stoffernes identifikation, dvs. er en gas glødende, kan man se hvilke grundstoffer der er i den. Nedenfor et jernspektrum og et absorptionsspektrum af brint

 

Sendes lys igennem en kold gas anslås de linjer i gassen, som er omtalt, lyset genudsendes i alle retninger, så det man ser, er sorte streger i spekteret, de steder hvor der før var lysende linjer. Gasformige stoffer kan på samme måde som ovenfor identificeres i kold tilstand, hvis der kommer lys igennem. Her kommer bl.a. Fraunhofer ind idet han opdagede de mørke linjer i solens stråling i 1814.

Nedenfor Fraunhoferlinierne dvs. absorptionsspekteret af solen.

Væsker og sammensatte stoffer f.eks. ammoniak, kuldioxid, nitrogenoxider og cyan kan identificeres på tilsvarende måde. Her er normalt ikke tale om linjespekter, men linjespektre kombineret med båndspekter dvs. områder af spekteret, hvor der er lys i hele området eller en masse tætliggende linjer. Helt tilsvarende kan man se linjer fra stoffer i resten af det område, der omtales som elektromagnetiske bølger.

Vi kan altså identificere stoffer i lyset fra rummet

Vi kan sammenholde det med jordiske forsøg, teorier for Big Bang, for stjernernes liv, for stjernernes energiproduktion mm. Vore stjernemodeller fortæller, at alle grundstoffer op til jern, som er nr. 26, dannes inde i sole som vores egen i deres levetid. Når en stjerne bliver nova eller supernova (eksploderer) sender den så det stof ud i rummet til glæde for bl.a. os. I supernova eksplosioner sker der yderligere det, at de mere sjældnere stoffer over jern dannes i selve eksplosionen og sendes ud i rummet, så vor Uran og Guld skyldes altså gamle supernovaeksplosioner fra før solsystemets skabelse.

Det man ser i kikkerter og andre måleapparater som rumteleskoper, astronomiske satellitter osv. er kun linjer vi kender, dvs. vi har ikke set spektrallinjer fra nye grundstoffer. Til gengæld har man set linjer fra nok næsten alle kendte. Hyppigheden af stofferne afviger ikke meget, fra det man forventer af de modeller man har, og modellerne fortæller os ud fra jordiske eksperimenter, observationer og teori, hvad vi burde vente.

De såkaldte inverse dele af universet, ville vi ikke kunne se (hvis de findes).  Vore grundstoffer er groft taget opbygget af protoner, elektroner og neutroner (se svar om radioaktivitet under fysik). Man kunne tænke sig områder i universet opbygget an antipartiklerne, hvor bl.a. protonen er negativ og elektronen positiv, det ville give samme spektre. En sådan antiverden vil lave annihilation (dvs. at partikel og antipartikler mødes og forsvinder og totalt omdannes til energi) med vor type verden, hvis de mødes, under udsendelse af enorme energier. Det er ikke set, men hvis antiverdener eksisterer, er det jo ikke sikkert, at de har mødt vor verden. Vore teorier for Big Bang siger, at de nok måske ikke er der.

Det mørke stof

Der er en række spørgsmål og svar på det, jeg tror ikke at det kan uddybes, men det vi ser efter omkring det mørke stof, er ikke nye stoffer i det periodiske system, og det er heller ikke det vi forventer. Almindelige gasformige stoffer som enkeltatomer i rummet har vi også rimelige muligheder for at se på spektre, der er ikke noget tilsvarende fra det mørke stof.  Det er iøvrigt udfyldt, som det er, måske med enkelte nye stoffer, der er endnu tungere end dem vi nu kender.

Alt "alm." stof påvirker lys på den ene eller anden måde (udsender lys, absorberer lys, spreder lys), men det gør mørkt stof ikke. Vi har søgt efter alle former for lys over hele spektret - fra radiobølger til gamma-stråling - og vi har ikke set tegn på lys fra mørkt stof, så vi kan sige, at der kommer intet (eller i hvert fald meget lidt) lys af nogen slags fra mørkt stof. Derfor må det mørke stof være af en helt anden beskaffenhed end alm. stof.

Endelig er der nødt til at være mørkt stof, stof som ikke vekselvirker med lys, for overhovedet at danne galakser hurtigt nok. I Universets tidlige fase, var der så høj tæthed af lys, at klumper af alm. stof (de første "kim" til galakserne) blev splittet af lys. Hvis der kun var alm. stof i Universet, ville galakser derfor først kunne dannes ret sent i Universets historie, nemlig når Universet havde udvidet sig så meget, at tætheden af lys er blevet tilstrækkelig lille til ikke at splitte de første klumper. Men klumper af mørkt stof påvirkes ikke af lys og kan derfor tiltrække mere mørkt stof ved tyngdekraften og derved blive større og større, så galakser dannes hurtigt.

Det korte af det lange er, at uden mørkt stof, så var Mælkevejen - og vi - her ikke endnu!

Med venlig hilsen
Kristian Pedersen, lektor Dark Cosmology Centre
Malte Olsen