Woher kommt das Eisen in unserem Blut? - Vom Urknall zum Sternenstaub: Wie das Universum uns erschuf | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Das Eisen in unserem Blut, das Calcium in unseren Knochen und der Sauerstoff, den wir atmen, sind keine reinen irdischen Produkte. Jedes dieser Atome wurde vor Milliarden von Jahren im Inneren von Sternen geschmiedet und durch gewaltige Explosionen in den Weltraum geschleudert. Diese Episode folgt der Reise eines einzelnen Eisenatoms von den allerersten Momenten des Kosmos bis in die menschliche Blutbahn. Dabei untersuchen wir, warum das frühe Universum nur aus den leichtesten Elementen bestand und wie aus diesen einfachen Gaswolken die extrem massereichen Sterne der Population 3 entstanden.

0:53 Wir betrachten den dramatischen Moment, in dem ein massereicher Stern sein Brennen einstellt, in einer Sekunde in sich zusammenbricht, und als Kern -Col -Abs -Supernova eine ganze Galaxie überstrahlt. Genau in dieser finalen Explosion entstehen die Bedingungen, unter denen Elemente schwerer als Eisen geformt werden und das interstellare Medium mit den Bausteinen für künftige Planeten und Lebewesen anreichert. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer faszinierenden Vorstellung zurück, die Materie, aus der wir bestehen, ist nicht einfach nur da. Sie hat eine 13 Milliarden Jahre lange Geschichte hinter sich, geprägt von unvorstellbaren Drücken, extremen Temperaturen und gewaltigen Sternentoden. Es

1:42 ist ein tief beruhigender Gedanke, dass unsere physische Existenz so unmittelbar und materiell mit der Geschichte des Kosmos verbunden ist. In ihrem Blut befindet sich gerade jetzt Eisen. Vielleicht vier Gramm, genug für einen kleinen Nagel. Dieses Eisen wurde in einem Stern geschmiedet, der starb, bevor die Erde existierte. Und bevor dieser Stern existierte, existierte das Eisen selbst überhaupt nicht. Das Universum, sehen Sie, musste erst lernen, wie es sie herstellt.

2:19 In ihrem Blut befindet sich Eisen. Nicht viel. Insgesamt vielleicht vier oder fünf Gramm. Genug für einen kleinen Nadel, wenn man alles zusammensammelte. Das meiste davon sitzt in ihrem Hämoglobin, dem Protein, das Sauerstoff von ihren Lungen zu jeder Zelle ihres Körpers transportiert. Gerade jetzt, während sie zuhören, befindet sich ein Teil dieses Eisens in ihrem linken Oberschenkel. Ein Teil in ihrem rechten Unterarm. Ein Teil wandert gerade durch Ihr Herz. Nehmen Sie ein einziges Atom.

2:58 Irgend eines. Es hat keinen Namen, keine Nummer, aber es hat eine Geschichte. Es ist älter als die Erde. Älter als die Sonne. Älter als die Galaxie, die wir unsere Heimat nennen. Wenn Sie diesem einen Atom rückwärts durch die Zeit folgen könnten, würden Sie es nicht im Boden unter Ihren Füßen finden. Nicht in den Felsen dieses Planeten.

3:23 Nicht einmal im Nebel, aus dem unser Sonnensystem entstand. Sie würden mehr als 13 Milliarden Jahre zurückreisen, zu einem Moment, in dem dieses Atom überhaupt nicht existierte. Das Universum enthielt nur Wasserstoff und Helium, die beiden einfachsten Elemente, die in gewaltigen, dunklen Wolken durch den sich ausdehnenden Raum trieben.

3:48 Nirgendwo Eisen. Kein Sauerstoff. Kein Calcium. Kein fester Boden irgendeiner Art. Nur die einfachsten Atome und die Stille zwischen ihnen. Hier beginnt unsere Geschichte. Nicht mit einem Knall, sondern mit einem Warten. Das frühe Universum war in den ersten paar hundert Millionen Jahren nach seiner Geburt von außerordentlich einfacher Zusammensetzung.

4:16 Wasserstoffatome. Jedes ein einzelnes Proton mit einem Elektron im Gefolge. Heliumatome, etwas komplexer, zwei miteinander verbundene Protonen und fast nichts sonst. Der Kosmos war ein Meer aus diesen leichten Elementen, dünn verteilt über den sich ausdehnenden Arm, allmählich abkühlend, dunkel und still. Es gab keine Sterne, die es erleuchteten. Keine Planeten, die dieses Licht empfingen. Das Universum war reine Möglichkeit.

4:51 Keine Erfüllung. Doch diese Einfachheit enthielt die Bedingungen für ihre eigene Verwandlung in sich. Der Schlüssel liegt im Verständnis dessen, was fehlte. In dem Universum, das wir heute bewohnen, enthalten Gaswolken, die zu Sternen kollabieren, mehr als nur Wasserstoff und Helium. Sie tragen Spuren schwererer Elemente in sich. Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen, verstreut durch frühere Generationen von Sternen. Diese schwereren Elemente verändern, selbst in winzigen Mengen, alles daran, wie sich eine Gaswolke verhält. Sie strahlen Wärme effizient ab und lassen die Wolke abkühlen, während sie sich zusammenzieht. Eine abgekühlte Wolke zerbricht, zersplittert in viele kleine Stücke Und jedes Stück wird zu einem Stern mittlerer Größe. Unsere

5:46 Sonne entstand auf diese, weise, aus wiederverwertetem Material. Und sie ist genau wegen der schweren Elemente, die ihre Geburt mitgestalteten, ein stabiler, langlebiger Stern. Aber in jenem ersten Universum gab es solche Elemente nicht. Das Gas war rein. Und einer Wasserstoff und eines Helium sind, wie sich zeigt, furchtbar schlecht darin, Wärme abzugeben. Stellen Sie sich eine gewaltige Wolke aus urzeitlichem Gas vor, dunkel und kalt, die beginnt, sich unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenzuziehen. In einem modernen Sternentstehungsgebiet würde diese Wolke schwach im Infraroten leuchten, ihre Wärme abstrahlen. Und während sie schrumpfte, würde sie zersplittern, wie eine Eisplatte, die von einem Hammer getroffen wird. Sie würde in

6:42 Dutzende, Hunderte kleinerer, kollabierender Fragmente zerbrechen. Jedes Fragment würde ein bescheidener Stern werden, vielleicht wie unsere Sonne oder kleiner. Doch diese uralte Wolke konnte ihre Wärme nicht loswerden. Sie blieb heiß, aufgebläht, Widerstand der Zersplitterung. Statt in viele Stücke zu zerbrechen, kollabierte die gesamte Masse weiter als Ganzes. Ein einziger dunkler Embryo, der in seinem Zentrum dichter und heißer wurde, mehr Gas verschluckte, mehr Material nach innen zog. Keine Abkühlung, kein Auseinanderbrechen.

7:22 Ein monolithischer Kollaps, eine monströse Geburt. Der Stern, der entstand, war nicht wie unsere Sonne. Er hatte die hundertfache Masse unserer Sonne, vielleicht die dreihundertfache, vielleicht sogar noch mehr. Dies waren die Sterne der Population 3, die ersten Lichter im Kosmos. Und sie waren anders als alles, was wir heute sehen. Kein menschliches Auge hat je einen von ihnen direkt beobachtet.

7:53 Sie sind zu fern, ihr Licht zu schwach, ihre Existenz zu weit in der Vergangenheit. Aber wir können sie aus den Gesetzen der Physik rekonstruieren, aus den Bedingungen, von denen wir wissen, dass sie existierten, und aus den Spuren, die sie hinterlassen haben. Sie waren nicht nur groß, sie waren von grundlegend anderer Natur. Ihre Oberflächen brannten bei Temperaturen von über 50 .000 Grad Celsius, fast zehnmal heißer als unsere Sonne. Ihre Inneren waren Schmelzöfen einer Art, die im Universum nicht mehr existiert, mit Temperaturen von hunderten Millionen Grad und Rücken, die milliardenfach größer waren als die Erdatmosphäre. Und sie verbrannten ihren Brennstoff mit erschreckender Geschwindigkeit.

8:43 Während unsere Sonne zehn Milliarden Jahre leben wird, erschöpften diese ersten Sterne ihren Wasserstoff in bloßen Millionen Jahren, manche in nur hunderttausend. Je massereicher ein Stern, desto wütender brennt er. Die Schmierkraft drückt auf jeder Ebene härter, verlangt mehr Energie, um dem Kollaps zu widerstehen.

9:03 Und diese Energie kommt aus der Fusion, aus der Umwandlung von Wasserstoff in schwerere Elemente. Jeder Schritt setzt das Licht und die Wärme frei, die einen Stern leuchten lassen. Treten wir in einen dieser Sterne ein? Und sehen wir, was im Inneren geschieht. Stellen Sie in sich als eine Kugel aus verschachtelten Schalen vor, wie eine Zwiebel, wobei jede Schicht bei einer anderen Temperatur brennt. Die äußerste Schale fusioniert Wasserstoff zu Helium, derselbe Prozess, der heute unsere Sonne antreibt. Aber in einem Stern dieser Masse geschieht alles schneller, heißer, intensiver. Die Heliummasse sinkt nach innen.

9:51 sammelt sich an. Und wenn der Wasserstoffvorrat zur Neige geht, zieht sich der Kern zusammen, erhitzt sich weiter und entzündet die Heliumfusion. Nun brennt eine neue Schale unter der alten. Kohlenstoff entsteht. Sauerstoff. Der Stern bläht sich auf, seine äußeren Schichten dehnen sich aus, während der Kern immer heißer, immer dichter wird. Unter der heliumbrennenden Schale entzündet sich eine weitere Schicht. Neon brennt zu Magnesium und Sauerstoff. Darunter brennt Sauerstoff zu Silizium. Und im äußersten Zentrum eine Kugel von ungefähr der Größe Jupiters, die bei mehreren Milliarden Grad brennt, fusioniert Silizium zu Eisen. Dies ist der kritische Moment. Der letzte Moment. Eisen nimmt unter allen Elementen eine

10:45 Sonderstellung ein. Es ist der stabilste Atomkern in der Natur. Man kann Energie freisetzen, indem man leichtere Elemente fusioniert bis hinauf zum Eisen. Man kann Energie freisetzen, indem man schwerere Elemente spaltet bis hinunter zum Eisen. Aber Eisen selbst kann nicht zu etwas schwererem fusioniert werden, ohne Energie zu verbrauchen statt freizusetzen. Es ist der Grund des nuklearen Energiebrunnens, der Ort, an dem der Prozess, der den Stern am Leben erhalten hat, endgültig an sein Ende kommt. Wenn das Siliziumbrennen im Kerneisen erzeugt, tritt der Stern in seine letzten Stunden ein. Das Eisen sammelt sich an, träge, unbeteiligt an der Energieproduktion, die die Schwerkraft Millionen Jahre lang in Schach

11:36 gehalten hat. Der Kern wächst und wächst. Und noch immer brennt die Fusionsschale um ihn herum, noch immer wird mehr Eisen abgelagert. Bis der Kern eine kritische Masse erreicht, etwa das anderthalbfache der Masse unserer gesamten Sonne, zusammengepresst in eine Kugel von ungefähr der Größe der Erde. Dann, in weniger als einer Sekunde, ändert sich alles. Stellen Sie sich vor, Sie beobachten diesen Stern von innen. Millionen Jahre lang war der Kern ein Schmelzofen, der Licht nach außen strömte. Ein ununterbrochenes Tosen von Energie, das gegen das Gewicht des gesamten herabdrückenden Sterns ankämpfte. Dieses Tosen ist das einzige, was den Stern aufrecht hält. Jetzt, während das letzte Silizium zu Eisen

12:31 fusioniert, stoppt der Ofen. Nicht allmählich, sofort. Das Licht im Zentrum des Sterns schaltet sich einfach ab. Stille. Der Kern, nun träges Eisen, hat nichts mehr zu verbrennen. Der nach außen gerichtete Druck, der die Schwerkraft ausbalancierte, verschwindet. Und der Stern, der ganze Stern, jede Schicht vom Eisenkern bis zur Wasserstoffhülle, beginnt zu fallen. Nicht langsam. Der Kern, eine Kugel von der Größe der Erde, kollabiert in etwa einer Viertelsekunde nach innen. Er schrumpft von Erdgröße auf Stadtgröße in der Zeit, die sie für einen Litschlag brauchen. Das Material darüber, die Siliziumschale, die Sauerstoffschale, die Neonschale, die Kohlenstoffschale, die Heliumschale, die Wasserstoffhülle, alles stürzt herab, rast

13:26 mit einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit auf das Zentrum zu. Die Dichte im Zentrum wird unvorstellbar. Elektronen werden in Protonen gepresst. Der Kern verwandelt sich in eine Kugel aus reinen Neutronen, einen Neutronenstern, eine Kugel von vielleicht 20 Kilometern Durchmesser, so dicht, dass ein einziger Würfelzucker ihres Materials so viel wiegen würde wie ein Berg. Die einstürzenden Schichten des Sterns prallen auf diese unmöglich harte Oberfläche und kommen zum Stillstand. Sie können nicht weiter. Das Material prallt zurück.

14:05 Eine Schockwelle entsteht, eine physische Wand aus Energie, die nach außen rast, an Kraft gewinnt, während sie durch den kollabierenden Stern aufsteigt, sich durch Schicht um Schicht reißt, bis sie aus der Oberfläche ausbricht und den Stern auseinandersprengt. Dies ist eine Kernkolaps -Supernova. Für ein paar Wochen überstreit ein einzelner sterbender Stern die gesamte Galaxie, die ihn enthält. Die freigesetzte Energie übersteigt das, was unsere Sonne während ihrer gesamten 10 Milliarden Jahre langen Lebenszeit abstrahlen wird. Und im Herzen der Explosion, in den Sekunden und Minuten unvorstellbarer Temperatur und unvorstellbarer Neutronenflusses, geschieht etwas Neues. Elemente schwerer als Eisen werden geschmiedet. Gold, Platin, Silber,

14:58 Uran. Der schnelle Einfang von Neutronen baut Atomkerne auf, die im gleichmäßigen Brennen eines Sternkerns niemals entstehen könnten. Auch diese Elemente werden nach außen geschleudert, gemischt in die expandierende Wolke aus Wasserstoff und Helium und leichteren Elementen, ausgesät in das interstellare Medium. Der Stern ist gestorben, aber er hat auch geboren. Und wir können dies geschehen sehen. Das James Webb -Weltraumteleskop hat mit seinen Infrarotaugen uralte Supernovae aus der Jugend des Universums eingefangen, deren Licht 13 Milliarden Jahre unterwegs war, um uns zu erreichen. Hubble fand einige der frühesten.

15:45 Webb hat mehr gefunden und stößt immer näher an jene erste Generation vor. Ihr Licht zeigt uns das Universum, wie es war, als erst ein paar hundert Millionen Jahre vergangen waren. Galaxien, die sich bereits formten, bereits mit schweren Elementen angereichert. Doch selbst diese uralten Explosionen sind wahrscheinlich nicht die allerersten.

16:09 Sie gehören zur zweiten oder dritten Generation von Sternen und tragen bereits Spuren früherer Tode in sich. Die wahren Sterne der Population 3 bleiben verborgen, ihr direktes Licht zu schwach für heutige Instrumente. Aber es gibt Hinweise. Webb hat Galaxien erstaunlich früh in der kosmischen Geschichte gefunden, die bereits bedeutende Mengen schwerer Elemente enthalten. Das liegt nahe, dass die ersten Supernovae sehr bald nach der Entstehung der ersten Sterne auftraten, vielleicht nur 150 bis 200 Millionen Jahre nach dem Urknall selbst. Das Universum war jung. Die ersten Sterne lebten kurz, starben gewaltsam und säten ihre Umgebung mit den Bausteinen der Komplexität.

16:58 Bedenken Sie die Größenordnung dessen, was das bedeutet. Das Universum ist 13 ,8 Milliarden Jahre alt. Die ersten Sterne entstanden vielleicht vor 13 ,6 Milliarden Jahren. Sie lebten ein paar Millionen Jahre, explodierten, als das Universum vielleicht 200 Millionen Jahre alt war, und verstreuten ihre Asche über den Kosmos. Diese Asche trieb Milliarden Jahre lang umher, durch die Entstehung von Galaxien, durch unzählige weitere Sternenleben und Sterntode. Bis vor etwa 4 -6 Milliarden Jahren eine Wolke aus angereichertem Gas in einem Arm der Milchstraße kollabierte und unsere Sonne und ihre Planeten formte. Die Erde verdichtete sich aus Material, das die Überreste jener ersten Explosionen enthielt. Jedes Gramm unseres Planeten

17:55 ist wiederverwertetes Sternenmaterial. Das Eisen in seinem Kern, das Silizium in seinen Felsen, der Sauerstoff in seiner Atmosphäre, alles wurde in Sternen geschmiedet und von Supernovae verteilt. Und dann, vor etwa 3 ,8 Milliarden Jahren, geschah auf diesem Planeten aus Sternenstaub etwas Bemerkenswertes.

18:18 Einfache Moleküle begannen, sich zu komplexeren Strukturen zu organisieren. Diese Strukturen lernten, sich zu vermehren, zu wachsen, sich anzupassen. Leben entstand, entwickelte sich weiter, diversifizierte sich. Pflanzen, Tiere, Bewusstsein. Wesen, die fähig waren, über ihre eigene Herkunft zu staunen, das Eisen in ihrem Blut 13 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte zurückzuverfolgen. Sie sind nicht getrennt von dieser Geschichte. Sie sind ihre Fortsetzung.

18:56 Die Atome in ihrem Körper, jedes Eisenatom in ihrem Blut, jedes Calciumatom in ihren Knochen, jedes Sauerstoffatom, das sie einatmen, alle wurden in Sternen erschaffen, in Supernovae hinausgeschleudert, trieben Milliarden Jahre durch den Raum, wurden Teil der Erde, wurden Teil von ihnen. Sie bestehen buchstäblich aus Sternenstaub. Aber das ist nicht bloß eine poetische Wendung. Es ist eine physikalische Tatsache, so konkret wie die Schwerkraft. Hier ist etwas zum Nachdenken. Jenes Eisenatom in ihrem Oberschenkel, das wir am Anfang ausgewählt haben, befand sich einmal für den Bruchteil einer Sekunde im Inneren eines Neutronensterns. Es erlebte Dichten jenseits des vorstellbaren Drücke, die einen Würfelzucker auf das Gewicht eines

19:49 Berges zusammenpressen würden, bevor die zurückprallende Schockwelle es hinaus in die Leere schleuderte. Einige der Atome in ihrem Körper sind möglicherweise durch mehrere Sterne gegangen. Durch mehrere Explosionen haben die Galaxie immer wieder durchlaufen, bevor sie schließlich hier ankamen. Sie bestehen nicht nur aus Sternenmaterial. Sie bestehen aus Material, das verarbeitet, zusammengepresst, explodiert und verstreut wurde, wieder und wieder über kosmische Zeit hinweg. Die Verbindung ist nicht metaphorisch. Sie ist materiell, direkt, unausweichlich. Wenn Sie einen Felsen berühren, berühren Sie Material, das in Sternkernen geschmiedet wurde. Wenn sie atmen, tauschen sie Atome aus, die einst den expandierenden Supernova -Überresten

20:42 durch die Galaxie kreisten. Wenn sie bluten, verlieren sie Eisen, das 13 Milliarden Jahre gereist ist, um sie zu erreichen. Die ersten Supernovae erschufen die Elemente. Die nachfolgenden Generationen von Sternen reicherten sie weiter an. Die Erde formte sich aus diesem angereicherten Material. Leben entstand, entwickelte sich weiter, brachte schließlich Wesen hervor, die fähig waren, diese Geschichte zu verstehen. Und jetzt, im gegenwärtigen Moment sind sie hier, hören zu, denken nach, tragen in ihrem Körper das physische Erbe von Ereignissen, die geschahen, als das Universum jung war. Die Verbindung ist ununterbrochen.

21:26 Der Faden reißt nicht. Von den ersten explodierenden Sternen durch Milliarden Jahre kosmischer Entwicklung, Zu ihnen, jetzt, in diesem Moment? Jenes Eisenatom in ihrem Blut ist noch immer da, trägt noch immer Sauerstoff, verrichtet noch immer seine stille Arbeit. Es ist 13 Milliarden Jahre gereist, um sie zu erreichen. Es wird seine Reise fortsetzen, lange nachdem sie gegangen sind, zur Erde zurückkehren, durch Gestein und Ozean und Atmosphäre kreisen.

22:00 Vielleicht eines Tages seinen Weg in einen anderen Stern finden, einen anderen Planeten, ein anderes Lebewesen. Das Atom besteht fort. Es trägt seine Geschichte in seiner Struktur, in der schieren Tatsache seiner Existenz. Und für einen kurzen Moment kreuzte sich diese Geschichte mit ihrer.