Zvezdna nukleosinteza: kako zvezde tvorijo vse elemente

Kako nastanejo elementi iz vodika in helija

ROGER HARRIS/ZNANSTVENA FOTOKNJIŽNICA/Getty Images

Zvezdna nukleosinteza je proces, pri katerem nastanejo elementi znotraj zvezd s kombiniranjem protoni in nevtroni skupaj iz jeder lažjih elementov. Vsi atomi v vesolju so se začeli kot vodik. Fuzija znotraj zvezd pretvori vodik v helij, toploto in sevanje. Težji elementi nastajajo v različnih vrstah zvezd, ko umrejo ali eksplodirajo.

Zgodovina teorije

Zamisel, da zvezde spajajo atome lahkih elementov, je prvič predlagal Einsteinov močan zagovornik Arthur Eddington v dvajsetih letih prejšnjega stoletja. Vendar pa je prava zasluga za razvoj te teorije v skladno teorijo pripisana delu Freda Hoyla po drugi svetovni vojni. Hoylova teorija je vsebovala nekaj pomembnih razlik od sedanje teorije, predvsem to, da ni verjel v teorija velikega poka namesto tega pa je vodik nenehno nastajal v našem vesolju. (Ta alternativna teorija se je imenovala a teorija stabilnega stanja in padel v nemilost, ko je bilo zaznano kozmično mikrovalovno sevanje ozadja.)

Zgodnje zvezde

Najenostavnejša vrsta atoma v vesolju je vodikov atom, ki vsebuje en sam proton v jedru (morda z nekaj nevtroni visi tudi zunaj) z elektroni, ki krožijo okoli tega jedra. Zdaj se verjame, da so ti protoni nastali ob neverjetno visoki energiji kvark-gluonska plazma zelo zgodnjega vesolja izgubil dovolj energije, da kvarki začeli povezovati skupaj, da so tvorili protone (in druge hadroni , kot nevtroni). Vodik je nastal skoraj takoj in celo helij (z jedri, ki vsebujejo 2 protona) je nastal v relativno kratkem času (del procesa, imenovanega nukleosinteza velikega poka).

Ko sta ta vodik in helij začela nastajati v zgodnjem vesolju, je bilo na nekaterih področjih gostejši kot v drugih. Gravitacija je prevzela oblast in sčasoma so se ti atomi združili v ogromne oblake plina v prostranosti vesolja. Ko so ti oblaki postali dovolj veliki, jih je gravitacija pritegnila skupaj z dovolj sile, da je dejansko povzročilo zlitje atomskih jeder, v procesu, imenovanem jedrska fuzija . Rezultat tega fuzijskega procesa je, da sta dva enoprotonska atoma zdaj oblikovala en sam dvoprotonski atom. Z drugimi besedami, dva atoma vodika sta začela en sam atom helija. Energija, ki se sprosti med tem procesom, je tista, ki povzroči, da sonce (ali katera koli druga zvezda, če smo že pri tem) gori.

Potrebno je skoraj 10 milijonov let, da vodik zgori, nato pa se stvari segrejejo in helij se začne zlivati. Zvezdna nukleosinteza še naprej ustvarja težje in težje elemente, dokler ne končate z železom.

Ustvarjanje težjih elementov

Gorenje helija za proizvodnjo težjih elementov se nato nadaljuje približno 1 milijon let. V veliki meri se spoji v ogljik s postopkom trojnega alfa, v katerem se transformirajo tri jedra helija-4 (delci alfa). Postopek alfa nato združi helij z ogljikom, da proizvede težje elemente, vendar le tiste s sodim številom protonov. Kombinacije gredo v tem vrstnem redu:

1. Ogljik in helij proizvajata kisik.
2. Kisik in helij proizvajata neon.
3. Neon in helij proizvajata magnezij.
4. Magnezij in helij proizvajata silicij.
5. Silicij in helij proizvajata žveplo.
6. Žveplo in helij proizvajata argon.
7. Argon in helij proizvajata kalcij.
8. Kalcij in helij proizvajata titan.
9. Titan in helij proizvajata krom.
10. Krom in helij proizvajata železo.

Druge fuzijske poti ustvarjajo elemente z lihim številom protonov. Železo ima tako tesno vezano jedro, da ni več fuzije, ko je ta točka dosežena. Brez fuzijske toplote se zvezda zruši in eksplodira v udarnem valu.

Fizik Lawrence Krauss ugotavlja, da traja 100.000 let, da ogljik zgori v kisik, 10.000 let, da kisik zgori v silicij, in en dan, da silicij zgori v železo in naznani propad zvezde.

Astronom Carl Sagan je v televizijski seriji 'Cosmos' zapisal: 'Narejeni smo iz zvezdnih stvari.' Krauss se je strinjal in izjavil, da je bil vsak atom v vašem telesu nekoč v zvezdi, ki je eksplodirala ... Atomi v vaši levi roki so verjetno prišli iz druge zvezde kot v vaši desni roki, ker je 200 milijonov zvezd eksplodiralo, da so sestavili atome. v tvojem telesu.'