Από πού στο Σύμπαν προέρχεται το… φθόριο;

Το φθόριο είναι ένα «καταραμένο» στοιχείο. Είναι το πιο αντιδραστικό στοιχείο στη φύση, αντιδρώντας ακόμα και με ευγενή αέρια, που κανονικά δεν αντιδρούν με τίποτα! Μόλις έρθει σε επαφή με υδρογόνο παράγει υδροφθορικό οξύ, που είναι παρόμοιο με το υδροχλωρικό οξύ αλλά πιο επικίνδυνο. Η δυσκολία απομόνωσής του ήταν τόσο μεγάλη που ο χημικός που τελικά το κατάφερε (ο Henri Moissan) έλαβε το βραβείο Νομπέλ Χημείας το 1906 για αυτό το επίτευγμα, έχοντας μελετήσει με επιμονή το «άγριο θηρίο των στοιχείων», όπως ανέφερε το κείμενο της απονομής του. Στα Ελληνικά πήρε το όνομά του από τη φθορά¹. Παρόλα αυτά, είναι πολύ πιθανό να το βρείτε στην οδοντόκρεμά σας (σε χημική ένωση με νάτριο), καθότι παρατηρήθηκε ότι καταπολεμά την τερηδόνα.

 Δεν είναι «καταραμένο» μόνο από χημικής άποψης αλλά και από ατομικής. Παρόλο που έχει χαμηλό ατομικό αριθμό, οπότε θα περίμενε κανείς να κατασκευάζεται εύκολα σε αστρικά περιβάλλοντα, το φθόριο έχει πολύ χαμηλή αφθονία συγκριτικά με παραπλήσια στοιχεία (Εικόνα 3). Αυτό οφείλεται στο ότι αφενός μεν έχει περιττό ατομικό αριθμό, οπότε η διαδικασία άλφα, με την οποία συντίθενται τα περισσότερα παραπλήσια στοιχεία, το προσπερνά², αφετέρου δε έχει υψηλή ενεργό διατομή για αλληλεπιδράσεις με πρωτόνια και πυρήνες ηλίου, οπότε πολύ εύκολα μετατρέπεται σε οξυγόνο ή νέον, αντίστοιχα.

Ως εκ τούτου… δεν ξέρουμε πως δημιουργείται το φθόριο! Έχουν προταθεί διάφορα θεωρητικά σενάρια:

α) σε υπερκαινοφανείς τύπου ΙΙ μέσω θρυμματισμού πυρήνων νέου από νετρίνα,

β) σε γίγαντες αστέρες (μάζας μέχρι 7 φορές αυτή του Ηλίου) κατά τη διάρκεια θερμικών παλμών καύσης ηλίου,

γ) σε αστέρες Wolf-Rayet όπου ο αστρικός τους άνεμος ενδέχεται να το απομακρύνει γρήγορα, προτού προλάβει να αντιδράσει με άλλα σωμάτια,

δ) σε συγχωνεύσεις λευκών νάνων.

Η διαδικασία για το σενάριο (α) χρησιμοποιεί νετρίνα. Τα νετρίνα αντιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη, αλλά σε μία έκρηξη υπερκαινοφανούς παράγονται τόσα πολλά, σε πολύ υψηλές ενέργειες, που ακόμα και με πολύ μικρή ενεργό διατομή θα πρέπει να κάνουν πολλές συγκρούσεις με άτομα νέου. Αυτές οι συγκρούσεις θα είναι αρκετά ενεργητικές ώστε να διώχνουν ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο από τον πυρήνα του, ο οποίος έτσι μετατρέπεται σε φθόριο. Η ραγδαία απομάκρυνση του φθορίου κατά την έκρηξη υποτίθεται ότι το προστατεύει από αλληλεπιδράσεις που μπορούν να το καταστρέψουν. Είναι μία κομψή θεωρία, που δυστυχώς δεν έχει επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά.

Τα σενάρια (β) και (γ) παράγουν φθόριο με μια πιο πολύπλοκη διαδικασία, που εξηγείται στην Εικόνα 4.

Το σενάριο (δ) χρησιμοποιεί μία λίγο διαφορετική διαδικασία, που μπορεί να παράγει άφθονο φθόριο κατά τη συγχώνευση ενός λευκού νάνου από ήλιο με έναν λευκό νάνο από άνθρακα και οξυγόνο. Τα βήματά της φαίνονται στην Εικόνα 5.

Μέχρι στιγμής, μόνο για το σενάριο (β) έχει εντοπιστεί φθόριο στα κατάλληλα αστροφυσικά αντικείμενα (γίγαντες αστέρες του ασυμπτωτικού κλάδου), αλλά η ποσότητα που προκύπτει από τις παρατηρήσεις είναι χαμηλότερη από την αναμενόμενη. Ίσως αυτό να σημαίνει ότι οι γίγαντες αστέρες δεν είναι η μόνη, ή ούτε και η κύρια πηγή. Η προέλευση του φθορίου παραμένει ένα αίνιγμα για την αστροφυσική.

1. Στα Λατινικά πήρε το όνομά του από τη ροή (flourite, που έγινε flourine στα Αγγλικά), επειδή κατά τον 16ο αιώνα το χρησιμοποιούσαν για να ελαττώνουν το σημείο τήξης κάποιων μετάλλων.  ↩︎
2. Η διαδικασία άλφα γίνεται με διαδοχικές συγκρούσεις πυρήνων ηλίου με πυρήνες-στόχους, αυξάνοντας τις μάζες των τελευταίων. Καθώς το ήλιο έχει ζυγό ατομικό αριθμό (με δύο πρωτόνια στον πυρήνα του) και οι αρχικοί στόχοι είναι και αυτοί πυρήνες ηλίου, τα νέα, μεγαλύτερα στοιχεία που προκύπτουν από αυτή τη διαδικασία θα έχουν και αυτά ζυγό ατομικό αριθμό. ↩︎