DET SJETTE STOFFET

Lene Sælen


Diamant er naturens aller hardeste materiale og kan kun skades av seg selv. Stoffet som betyr uslåelig på gresk er laget utelukkende av karbon. Grafitt er også laget av ren karbon men er et betraktelig mykere materiale som for eksempel brukes i blyanter. Karbon er et merkelig stoff, men hva om jeg sier at det også er det aller viktigste stoffet i ditt liv?

Hva er det med karbon?
Karbon har atomnummer 6, hører til de ikke-metalliske grunnstoffene og har kjemisk symbol C. De vanligste karbonisotopene er C-12, C-13 og C-14. Karbon har en atomvekt på 12,0107 atomære masseenheter. Grunnstoffet karbon opptrer som fast stoff og har høyeste smeltepunkt av alle grunnstoffene. Ved atmosfærisk trykk forblir karbon i fast stoff ved temperaturer opp til 4300°C hvor karbon går direkte over til gassform, en prosess kalt sublimasjon.

Karbon i form av diamanter er en av naturens mest ettertraktede smykkestener på grunn av sitt storslåtte fargespill, mens kunstige diamanter og diamantstøv brukes i bore-, slipe- og skjæreverktøy på grunn av sin ekstreme hardhet. I kjernereaktorer brukes grafitt som nøytronmoderator, mens stål lages ved at jern blir tilsatt karbon. Diamantstøv brukes i datamaskiner som kjølesystem, pga. sin unike evne til å lede varme, mens den radioaktive isotopen C-14 er grunnlaget for nesten all datering av dødt organisk materiale.

Alt dette gjør ikke karbon noe særlig mer spesielt enn et hvilket som helst annet av de 92 kjente grunnstoffene på jorden. Det som derimot gjør karbon helt spesielt er at karbon danner grunnlaget for alt liv slik vi kjenner det. Karbon finnes i 95% av alle kjente stoffer i verden og i samtlige livsformer på jorden. Men hvorfor ble nettopp karbon livets byggestein? Det er langt ifra overflod av karbon på jorden. Karbon kommer ikke engang inn på listen over de syv mest vanlige stoffene på jorden.

Av alle de kjemiske elementene har karbon størst evne til å binde seg til seg selv og andre ikke-metalliske elementer, spesielt nitrogen, fosfor, oksygen, svovel og hydrogen. I forhold til karbon danner de andre elementene på listen enten færre eller sterkere bånd enn karbon. Mange av stoffene er også fanget i mineraler i jordskorpen og ikke umiddelbart tilgjengelige. Karbonbasert liv kan dermed skylde sin suksess til karbons mange kjemiske forbindelser, og til det faktum at karbonbånd er relativt svake. Derfor kan båndene lett dannes og brytes, noe som skaper et tilpasningsdyktig system.

Stjernestøv
Hvor kommer karbon fra?

En gang for lenge siden, da universet var tre sekunder gammelt, fantes kun en glovarm suppe av elementærpartikler. Med en temperatur på 7 milliarder°C skulle det ta 300 000 år før universet ble kaldt nok til at de enkleste atomene hydrogen og helium kunne dannes. Enda 300 millioner år senere har gravitasjonskraften forsterket tetthetsfluktuasjoner nok til at stjerner begynner å formes. Vi er ennå 13,4 milliarder år unna nåtiden. Stjerner formes av opphopninger av materie som er blitt presset så hardt sammen av gravitasjonen at atomene begynner å fusjonere. Hydrogen som for øyeblikket utgjør 90% av materien kommer sammen to og to og fusjonerer til helium – en prosess som frigjør store mengder energi. Energien frigjøres som lys, og derfor lyser stjernene. Dette strålingstrykket hindrer også stjernene i å kollapse pga. gravitasjonen. Hvor lenge en stjerne kan leve slik i harmoni er avhengig av hvor stor den er. Solen vår er ganske middels i så måte med sine to-tusen-milliarder-milliarder-milliarder kg, tilsvarende vel 300 000 jordkloder. Hvert sekund fusjonerer solen vår 700 millioner tonn hydrogen om til 695 millioner tonn helium mens 5 millioner tonn blir omgjort til høyenergetisk stråling. Dette har solen gjort i 5 milliarder år og vil fortsette med dette i nye 5 milliarder år før den blir en rød kjempe. Etter en påfølgende kort periode som planetarisk tåke, vil stjernen ende opp som en hvit dverg. Det er i fasen som rød kjempe at solen begynner å produsere tyngre grunnstoffer som karbon, nitrogen, oksygen, fluor og natrium. Dette er en veldig turbulent tid, hvor store mengder materie slynges ut i rommet. Slik blir de livsviktige tyngre grunnstoffene spredt i universet, og vil kanskje en dag inngå i dannelsen av en planet ikke ulik vår egen. Uten en passende mengde karbon ville karbonbasert liv, som er oss, vært umulig, og vi kan takke stjerner som for lengst er slukket for vår egen karbonforsyning.

Det hele skulle imidlertid vise seg å være avhengig av en mengde ekstremt finjusterte fysiske parametre fra universets side.

Trippel-alfa prosessen og andre vanskeligheter
For det første ville ikke stjernedannelse overhodet vært mulig uten en akkurat passelig gravitasjonskonstant. Litt lavere og gravitasjonen ville ikke vært sterk nok til å forme stjerner, litt høyere og stjernene ville kollapset alt for tidlig. Prosessen som produserer karbon i røde kjempestjerner kalles trippel-alfa prosessen. I denne kjernereaksjonen fusjonerer tre heliumkjerner til en karbonkjerne. Heliumkjerner kalles også for alfa-partikler. Trippel-alfa prosessen skjer i to steg, hvor først to heliumkjerner fusjonere og danner beryllium-8, en isotop eller versjon av grunnstoffet beryllium. Berylliumkjernen fusjonerer videre med en tredje heliumkjerne som danner karbon. Problemet er at berylliumkjernen som dannes er ustabil og henfaller til to heliumkjerner igjen nesten umiddelbart. Hvis du synes ett år er kort i forhold til universets alder, som er ca. 13,7 milliarder år, så lever beryllium-8 10 ganger kortere sett i forhold til ett sekund. Beryllium-8 har med andre ord en levetid på 0,00000000000000026 sekunder. I senteret til en rød kjempe finnes det til enhver tid kun én beryllium-8-kjerne pr. milliard heliumkjerner. Prosessen som fusjonerer beryllium-8 og helium til karbon burde dermed skje med en relativt høy sannsynlighet for å kompensere for ubalansen.

Den britiske astronomen Fred Hoyle fant imidlertid ut at den datil antatte prosessen var langt ifra hurtig nok til å kunne produsere mengden karbon som finnes i naturen. Den eneste mulige løsningen han kunne komme på var at naturen hadde ennå et nøye justert lykketreff på lur. Hoyle kunne få prosessen til å gå fort nok dersom det eksisterte en høyere tilstand i karbon som nøyaktig passet med energien til beryllium-8-kjernen kombinert med heliumkjernen. Dette kalles i fysikken resonans. I mekaniske systemer inntreffer resonans når en ytre syklisk påvirkning har samme frekvens som et system sin egenfrekvens. Når du husker endrer du vektfordelingen din på husken i resonans med systemet bestående av deg og husken. På den måten øker du gradvis utslaget og kan huske høyere og høyere. Musikkinstrumenter utnytter også resonans. En gitarstreng som spennes opp fritthengende er knapt hørbar, men gir tydelig lyd på en gitar. Det er resonanskassen som forsterker lyden og gir hvert instrument sin spesielle klang. Lignende resonanser kan forekomme i kjernereaksjoner selv om de der er noe mer kompliserte. Det var en slik resonans Hoyle var på jakt etter for å forklare mengden karbon i universet. Han fant ut at hvis verden skulle kunne eksistere som den gjør, måtte det finnes en eksitert tilstand i karbon med nøyaktig energien 7,65 megaelektronvolt. Megaelektronvolt er en energienhet som gjerne brukes i forbindelse med kjernereaksjoner.

La meg forklare begrepet eksitert tilstand litt nærmere. I de aller minste systemene bestående av elementærpartikler tillater ikke naturen at partiklene oppfører seg helt som de vil. Det er ikke alle energier som er tillatte selv om de med vår vanlige fysikk ville vært det, det som kalles Newtons mekanikk. Systemet er blitt kvantisert derav navnet kvantemekanikk. Derfor finnes det også en minste energi som systemet kan ha og vi kaller dette grunntilstanden. Alle andre tillatte energier svarer til eksiterte tilstander. Å regne ut slike tilstander nøyaktig er bortimot umulig selv for de enkleste systemene. Det var derfor en imponerende bedrift å kunne forutsi en slik tilstand og attpåtil basert på det faktum at hvis ikke den fantes, så hadde ikke vi gjort det heller. Faktisk var det nesten uhørt å komme med slike påstander om kompliserte kjernetilstander, og dertil framsatt av en astronom og ikke en kjernefysiker. Allikevel fantes det en kjernefysiker som var villig til å høre på Hoyle. Willy Fowler var en eksperimentell kjernefysiker ved Institutt for teknologi i California. Sammen med sitt team satt han opp et eksperiment skreddersydd til å oppdage Hoyles spesielle tilstand. Etter kun 10 dager med eksperimenter kunne de konstatere at Hoyles postulat hadde vært korrekt, et betydelig øyeblikk i vitenskapens historie.

Hoyle skulle finne at det er flere steg i trippel-alfa prosessen som er avhengig av finjusterte parametre. Parametre hvis betydning ikke bare er kritisk for dannelsen av karbon men også for dannelsen av vel 20 andre grunnstoffer som er essensielle for liv. Hvis berylliumisotopen dannet av to heliumkjerner var stabil ville alle heliumkjernene, så snart de begynte å fusjonere, umiddelbart bli transformert til karbon. Den enorme mengden frigitt energi ville sprengt stjernen i luften og alt håp om å danne tyngre grunnstoffer ville være tapt. Men det ender heller ikke her. Når først beryllium og helium har fusjonert og dannet karbon, vil karbonkjernen kollidere med nye heliumkjerner. Hvis disse kjernene fusjonerer dannes oksygen, et annet livsviktig stoff. Denne reaksjonen må skje i et nøyaktig tempo som forhindrer at hverken karbon eller oksygen blir overrepresentert på bekostning av den andre. Dette er tilfelle dersom oksygen ikke har en tilstand som er i resonans med reaksjonen. Som du kanskje forventer, skulle det også vise seg at ingen slik tilstand fantes i oksygen.

Fowler fikk senere Nobelprisen for sitt arbeid på kjernereaksjoner i stjerner og deres betydning for dannelsen av de kjemiske grunnstoffene i universet. Hoyle ble dessverre som mange andre oversett, og fikk ingen pris for sine banebrytende idéer.

43 år senere, i år 2000 vil fysikerne Oberhummer, Csoto og Schlattl finne ut nøyaktig hvor følsom trippel-alfa prosessen er for endringer i fysikkens lover. Kraften som binder kjernepartikler sammen og som er involvert i fusjonen av disse er den sterke kjernekraften, en av de fire fundamentale kreftene i naturen. Hvor stor forandring skal til for å kritisk endre produksjonen av karbon som er så avgjørende for liv i universet? De fant at en endring i den sterke kjernekraften på bare 0,4% ville gjort utviklingen av karbonbasert liv umulig.

Utviklingen av karbon er bare én av veldig mange kritiske parametre som gjør liv på jorden mulig. Alt i alt kan det virke som en urimelig stor mengde parametre har vært på vår side gjennom de siste 13,7 milliarder år, for at vi en dag skulle få muligheten til å undre oss over alle disse tilfeldighetene.

Lene Sælen
Institutt for fysikk og teknologi
Universitetet i Bergen