Річард Фейнман, знаменитий теоретичний фізик і лауреат Нобелівської премії, казав: якби він міг передати майбутнім поколінням лише одну наукову істину, це була б така: усе складається з атомів.

Розуміння того, як виникають атоми, — це одне з ключових питань фізики, адже саме з атомів складається вся відчутна матерія. Але навіть фізики можуть лише приблизно пояснити, як саме з’явилися деякі атоми.

Що таке атом?

Атом має важкий центр — ядро, яке складається з протонів і нейтронів. Навколо нього рухаються набагато легші електрони.

✅ Протони мають позитивний заряд, електрони — негативний, а нейтрони — нейтральні.
✅ Кількість протонів дорівнює кількості електронів, тож атом у цілому електронейтральний.
✅ Елементом називають сукупність атомів із однаковою кількістю протонів у ядрі.

Найпростіші та найпоширеніші в космосі атоми — це водень (1 протон, 0 нейтронів, 1 електрон) і гелій (2 протони, 2 нейтрони, 2 електрони). На Землі ми ще часто зустрічаємо вуглець, кисень та інші елементи.

Коли утворилися перші атоми?

Більшість атомів водню і гелію у Всесвіті сформувалися близько 400 тисяч років після Великого вибуху, що стався приблизно 14 мільярдів років тому.

✅ Раніше Всесвіт був у сотні разів меншим і набагато гарячішим.
✅ До цього моменту електрони мали забагато енергії, щоб «осісти» на орбітах навколо ядер.
✅ Атоми з’явилися лише тоді, коли температура впала приблизно до 5 000 °F (близько 2 760 °C). Цей процес називають рекомбінацією, хоча правильніше було б казати просто «комбінація».

А ще раніше — всього через кілька хвилин після Великого вибуху — за температури понад мільярд градусів утворювалися ядра гелію та дейтерію (важкого водню).

Згідно з розрахунками, близько 90% звичайної матерії у Всесвіті — це атоми водню, ще 8% — гелію.

Як з’явилися важчі атоми?

Водень і гелій утворилися, коли Всесвіт охолов і електрони змогли приєднатися до ядер. Але ми з вами, планети, рослини, тварини — складаємося з набагато важчих атомів. Як вони з’явилися?

✅ Відповідь у тому, що важчі елементи утворюються всередині зірок через процеси ядерного синтезу (ф’южн).
✅ Щоб протони й нейтрони злиплися в ядро, потрібна висока температура і тиск.
✅ Протони відштовхуються один від одного через позитивний заряд, але на дуже коротких відстанях починає діяти сильна взаємодія, яка «склеює» їх разом.

Вважається, що більшість елементів — від вуглецю до заліза — утворюються у великих і гарячих зорях, температура в яких перевищує мільярд градусів.

Звідки беруться ще важчі елементи?

Навіть у надгарячих зорях неможливо утворити елементи важчі за залізо чи нікель — на це потрібно ще більше енергії. Такі важкі елементи виникають під час катастрофічних подій:

✅ Наднові — вибухи масивних зірок, коли їх ядро колапсує після вичерпання пального. Ця мить супроводжується надпотужним викидом енергії, який дає змогу синтезувати важчі атоми та розкидати їх по космосу.
✅ Зіткнення нейтронних зірок — ще одне джерело колосальної енергії, під час якого можуть утворюватися такі елементи, як золото.

Ці грандіозні події збагачують космос важчими елементами, з яких потім формуються нові зорі, планети — і ми з вами.

Ще одна загадка

Все це описує лише звичайну матерію, яку ми бачимо і з якої складаємося. Але астрономи знають, що у Всесвіті є ще й темна матерія — загадкова субстанція, яка не складається зі звичайних атомів і про природу якої ми досі майже нічого не знаємо.