Maapallon fosforin alkuperä

Savijoen kipsipilotin keskiössä on fosfori, jota yritetään pitää pelloilla kasvien käytettävissä ja samalla poissa vesistöistä. Mutta mistä pelloilla oleva fosfori on peräisin? Vastaus löytyy hieman kauempaa kuin ensin ajattelisi. Fosforin alkuperästä kertoo tohtorikoulutettava  Tuomas Kangas Turun Yliopiston Fysiikan ja tähtitieteen laitokselta.

Maailmankaikkeuden alkuräjähdyksessä syntyi lähinnä vain kahta kevyintä alkuainetta, vetyä ja heliumia. Raskaampia alkuaineita syntyi lähes olematon määrä, ja siitäkin suurin osa oli litiumia. Maailmankaikkeuden fosfori, kuten muutkin heliumia raskaammat alkuaineet, on syntynyt lähes pelkästään tähdissä ja levinnyt tähtienväliseen avaruuteen supernovien myötä.

cas-a
Supernovajäänne Cassiopeia A. Kuva: NASA

Auringon kaltainen tähti ei pysty tuottamaan fuusioreaktioilla happea raskaampia alkuaineita. Massiivisemmissa tähdissä reaktiot voivat kuitenkin edetä raskaampiin alkuaineisiin, raskaimmillaan rautaan asti. Fosfori on järjestysluvultaan 15. alkuaine eli fosforiatomin ydin sisältää 15 protonia. Parittomasta protonien määrästä johtuen fosfori ei kuulu tyypilliseen fuusioreaktioiden ketjuun, koska heliumia raskaammat alkuaineet syntyvät enimmäkseen yhdistelemällä heliumatomeja, joissa on kaksi protonia. Fuusiotuotteet heliumista eteenpäin ovat pääosin hiili (järjestysluku 6), happi (8), neon (10), magnesium (12), pii (16) ja rauta (26).

Fuusion sijasta pääasiallinen fosforin syntyprosessi tähdissä on ns. s-prosessi, jossa atomi, tässä tapauksessa piiatomi, kaappaa ympäristöstään neutronin. Uuden atomin ollessa epävakaata isotooppia yksi sen protoneista muuttuu radioaktiivisessa ns. betahajoamisessa neutroniksi. Tuloksena on fosforiatomi.

Tähdissä syntyneen fosforin täytyy myös jotenkin päätyä tähden sisuksista avaruuteen, jotta se voisi myöhemmin olla mukana muodostamassa Maan kaltaista planeettaa. Fosforia muodostavat massiiviset tähdet räjähtävät elinkaarensa lopuksi supernovina, ja nämä valtavat räjähdykset ovat tarpeeksi voimakkaita levittääkseen syntyneet alkuaineet laajalle alueelle. Lisäksi supernovissa hetkellisesti vallitsevat olosuhteet ovat niin äärimmäisiä, että niissä syntyy lisää fosforia neutronikaappauksissa. Tähden täytyy siis olla tarpeeksi massiivinen tuottaakseen piitä ja räjähtääkseen supernovana; tähän tarvitaan vähintään noin 8 Auringon massaa.

”Maapallon fosfori, kuten muutkin raskaat alkuaineemme, on siis peräisin lähistöllä ammoin räjähtäneistä massiivisista tähdistä”

Tälle mallille saatiin vahvistus tarkkailemalla Kassiopeian tähdistössä sijaitsevaa Cas A -tähtisumua, joka on jäänne muinaisesta supernovaräjähdyksestä. Sumun fosforipitoisuudet vastasivat juuri sitä, mitä yllämainituilta prosesseilta odotettiin. Maapallon fosfori, kuten muutkin raskaat alkuaineemme, on siis peräisin lähistöllä (tähtitieteellisessä mielessä!) ammoin räjähtäneistä massiivisista tähdistä, joiden materiaali sekoittui tähtienväliseen aineeseen ja tiivistyi lopulta uudeksi tähdeksi, Auringoksi, ja sen ympärille syntyneiksi planeetoiksi.

Tohtorikoulutettava Tuomas Kangas
Tuorlan observatorio
Fysiikan ja tähtitieteen laitos
Turun yliopisto

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.