Formarea elementelor din tabelul periodic
Primii atomi
Universul se extindea în continuare dar era format doar din energie.
Faimoasa formulă a lui Einstein, , demonstrează că masa și energia sunt interschimbabile. Astfel Universul a creat din energie pură, nu doar materie, ci și antimaterie. Pentru fiecare 100 de milioane de particule de antimaterie s-au format 100 de milioane și una de particule de materie. Când materia și antimateria au intrat în contact, acestea s-au anulat reciproc, mai puțin acea particulă de materie în plus. Datorită asimetriei există tot ceea ce ne înconjoară astăzi, chiar și noi, oamenii. Dacă acea particulă de materie nu ar fi existat, Universul ar fi format doar din energie.
În acel moment, spațiul era ocupat de particule purtătoare de energie electrică, majoritatea protoni și electroni, care se mișcau liberi cu viteze mari în Univers. Pentru că particulele încărcate electric au proprietatea de a lovi fotonii, aceștia emiteau o lumină difuză portocalie, iar Universul părea opac. În primele trei minute, temperatura a rămas destul de ridicată pentru ca Universul să se comporte ca un reactor nuclear cosmic, sintetizând cele mai simple nuclee atomice: hidrogen (mai exact deuteriu – izotop al hidrogenului), heliu (heliu-4 – izotop al heliului și cantități infime de litiu. Câteva minute mai târziu, temperatura a scăzut la K (Kelvin), aproximativ de 10000 de ori mai mare decât temperatura de suprafață a Soarelui.
După aproximativ 370 000 de ani, când Universul se răcise la aproximativ 3000 K, jumătate din temperatura de suprafață a Soarelui, electronii și nucleele care se mișcau rapid și-au încetinit mișcarea suficient de mult cât să formeze atomi; electronii au fost captați de nucleele atomice și au fost atrași pe orbite. Deoarece electronii și protonii au sarcini egale, dar opuse, uniunile lor atomice sunt neutre din punct de vedere electric. Fotonii au putut trece prin plasma de compuși, astfel permițând ceții cosmice să se împrăștie și ecoul luminos al Big Bang-ului să fie emis. Universul devenise transparent.
De atunci fotonii primordiali circulă prin spațiu.
Radiația cosmică de fond
Deși n-au mai fost respinși de particulele cu sarcină electrică, fotonii au fost supuși unei alte influențe importante. Pe măsură ce spațiul se extinde, materia se diluează și se răcește, inclusiv fotonii. Dar, spre deosebire de particulele de materie, fotonii nu-și încetinesc mișcarea când se răcesc; fiind particule de lumină, se deplasează întotdeauna cu viteza luminii. În schimb, când fotonii se răcesc, le scade frecvența de vibrație, ceea ce înseamnă că își schimbă culoarea. Fotonii violet devin albaștri, apoi verzi, apoi galbeni, roșii și apoi infraroșii, ajungând în spectrul microundelor și, în final, în cel al frecvențelor radio. Astfel Universul a devenit întunecat din nou.
Existența radiației cosmice de fond cu microunde (CMB – ”Cosmic microwave backround”) a fost prezisă pentru prima dată de Ralph Alpher (cosmolog american) în 1948 făcând legătură cu cercetările sale asupra nucleozintezei întreprinse împreună cu Robert Herman (om de știință american) și George Gamow (fizician și astrofizician american de origine rusă).
Dacă teoria Big Bang-ului e corectă, atunci tot spațiul ar trebui să fie plin de fotoni rămași din momentul creației, circulând peste tot, ale căror frecvențe de vibrație sunt determinate de cât de mult s-a extins și s-a răcit Universul în timpul miliardelor de ani de când au fost emiși. Calcule matematice detaliate au arătat că fotonii trebuie să se fi răcit până aproape de zero absolut, ceea ce le plasează frecvențele în zona de microunde a spectrului. Din acest motiv, sunt numiți radiație cosmică de fond cu microunde. Cercetătorii au concluzionat că ne aflăm cu toții cufundați într-o baie de fotoni, o moștenire cosmică lăsată nouă de nașterea fierbinte a Universului
Astăzi radiația CMB este foarte rece, la doar 2,725° peste zero absolut, astfel această radiație strălucește în principal în porțiunea cu microunde a spectrului electromagnetic și este invizibilă cu ochiul liber. Cu toate acestea, umple Universul și poate fi detectat oriunde ne uităm.
Dacă am putea vedea microunde, întregul cer ar străluci cu o strălucire care era uimitor de uniformă în toate direcțiile. Această uniformitate este un motiv convingător pentru a interpreta radiația ca o căldură rămasă din Big Bang; ar fi foarte greu să ne imaginăm o sursă locală de radiații care să fie atât de uniformă. Mulți oameni de știință au încercat să elaboreze explicații alternative pentru sursa acestei radiații, dar nu au reușit.
Radiația cosmică de fond fost observată pentru prima dată în mod involuntar în 1965 de Arno Penzias (fizician american) și Robert Woodrow Wilson (fizician american) la Laboratoarele telefonice Bell din Murray Hill, New Jersey. Radiațiile acționau ca o sursă de exces de zgomot la un receptor radio pe care îl construiau. Întâmplător, cercetătorii de la Universitatea Princeton din apropiere, conduși de Robert Dicke (fizician american) și Dave Todd Wilkinson (cosmolog american) din echipa științifică WMAP, au conceput un experiment pentru a găsi radiația CMB. Când au auzit despre rezultatul de la Bell Labs, au realizat imediat că CMB a fost găsită. Rezultatul a fost o pereche de lucrări în ”Astrophysical Journal” (vol. 142 din 1965): una a lui Penzias și Wilson care detaliază observațiile și una a lui Dicke, Peebles, Roll și Wilkinson, care oferă interpretarea cosmologică. Penzias și Wilson au împărțit premiul Nobel pentru fizică din 1978 pentru descoperirea lor.
Primele stele. Primele elemente chimice
De-a lungul a milioane de ani, milioane de atomi de hidrogen s-au adunat și s-au încălzit. Atomii au început să fuzioneze și să elibereze energie, iar norul de gaz a început să ardă puternic. La aproximativ 300 de milioane de ani de la Big Bang, milioane de stele s-au aprins pentru prima dată, astfel Universul s-a luminat din nou. Gazele evoluate au reușit să se condenseze în nori care se prăbușesc pentru a forma stele. Steaua se așează într-un disc rotativ, care mai târziu a devenit o galaxie spirală asemănătoare Căii Lactee.
Se crede că cele 94 de elemente chimice naturale ale Universului au fost produse de cel puțin patru procese cosmice. Cea mai mare parte a hidrogenului, heliului și a unei cantități foarte mici de litiu din Univers a fost produsă primordial în primele câteva minute ale Big Bang-ului, iar alte trei procese ulterioare recurente au produs restul elementelor.
În cea mai mare parte a vieții lor, stelele fuzionează hidrogenul în heliu în nucleele lor. Când nucleul unei stele rămâne fără hidrogen, steaua începe să se stingă, apoi se extinde într-un gigant roșu și începe să producă atomi de carbon prin fuziunea atomilor de heliu.
Elementele grele pot fi formate din cele ușoare prin reacții de fuziune nucleară; acestea sunt reacții nucleare în care nucleii atomici fuzionează împreună. În timpul unei supernove, steaua eliberează cantități foarte mari de energie, precum și neutroni, ceea ce permite producerea unor elemente mai grele. În explozia supernova, toate aceste elemente sunt expulzate în spațiu.