Zvaigžņu nukleosintēze: kā zvaigznes veido visus elementus

Kā tiek radīti elementi no ūdeņraža un hēlija

ROGER HARRIS/ZINĀTNES FOTO BIBLIOTĒKA/Getty Images

Zvaigžņu nukleosintēze ir process, kurā elementi tiek radīti zvaigznēs, apvienojot tos protoni un neitroni kopā no vieglāku elementu kodoliem. Visi Visuma atomi sākās kā ūdeņradis. Saplūšana zvaigznēs pārvērš ūdeņradi hēlijā, siltumā un starojumā. Smagāki elementi rodas dažāda veida zvaigznēs, kad tie mirst vai eksplodē.

Teorijas vēsture

Ideju, ka zvaigznes sakausē kopā ar gaismas elementu atomiem, pirmo reizi ierosināja 20. gadsimta 20. gados spēcīgais Einšteina atbalstītājs Arturs Edingtons. Tomēr patiesais nopelns, lai to attīstītu par saskaņotu teoriju, ir Freda Hoila darbam pēc Otrā pasaules kara. Hoila teorijā bija dažas būtiskas atšķirības no pašreizējās teorijas, jo īpaši tas, ka viņš neticēja lielā sprādziena teorija bet tā vietā mūsu Visumā nepārtraukti tika radīts ūdeņradis. (Šo alternatīvo teoriju sauca a līdzsvara stāvokļa teorija un zaudēja labvēlību, kad tika atklāts kosmiskais mikroviļņu fona starojums.)

Agrīnās zvaigznes

Visvienkāršākais atomu veids Visumā ir ūdeņraža atoms, kura kodolā ir viens protons (iespējams, arī daži neitroni izkarājušies) ar elektroniem, kas riņķo ap šo kodolu. Tagad tiek uzskatīts, ka šie protoni ir izveidojušies neticami augstas enerģijas laikā kvarka-gluona plazma no ļoti agrīnā Visuma zaudēja pietiekami daudz enerģijas kvarki sāka savienoties, veidojot protonus (un citus hadroni , piemēram, neitroni). Ūdeņradis izveidojās gandrīz uzreiz, un pat hēlijs (ar kodoliem, kas satur 2 protonus) izveidojās salīdzinoši īsā secībā (daļa no procesa, ko dēvē par Lielā sprādziena nukleosintēzi).

Kad šis ūdeņradis un hēlijs sāka veidoties agrīnajā Visumā, bija daži apgabali, kur tas bija blīvāks nekā citās. Gravitācija pārņēma varu, un galu galā šie atomi kosmosa plašumos tika savilkti kopā masīvos mākoņos. Kad šie mākoņi kļuva pietiekami lieli, gravitācijas spēku tos savilka kopā ar pietiekamu spēku, lai faktiski izraisītu atomu kodolu saplūšanu procesā, ko sauc. kodolsintēze . Šī saplūšanas procesa rezultāts ir tāds, ka divi viena protona atomi tagad ir izveidojuši vienu divu protonu atomu. Citiem vārdiem sakot, divi ūdeņraža atomi ir sākuši vienu hēlija atomu. Šī procesa laikā izdalītā enerģija izraisa saules (vai jebkuras citas zvaigznes) degšanu.

Ir nepieciešami gandrīz 10 miljoni gadu, lai sadegtu cauri ūdeņradim, un tad lietas uzkarst un hēlijs sāk saplūst. Zvaigžņu nukleosintēze turpina radīt smagākus un smagākus elementus, līdz jūs nonākat pie dzelzs.

Smagāko elementu izveide

Pēc tam hēlija dedzināšana, lai iegūtu smagākus elementus, turpinās apmēram 1 miljonu gadu. Lielākoties tas tiek sakausēts oglekli trīskāršā alfa procesā, kurā tiek pārveidoti trīs hēlija-4 kodoli (alfa daļiņas). Pēc tam alfa process apvieno hēliju ar oglekli, lai iegūtu smagākus elementus, bet tikai tos ar pāra skaitu protonu. Kombinācijas notiek šādā secībā:

1. Ogleklis plus hēlijs ražo skābekli.
2. Skābeklis plus hēlijs rada neonu.
3. Neons plus hēlijs ražo magniju.
4. Magnijs plus hēlijs rada silīciju.
5. Silīcijs plus hēlijs rada sēru.
6. Sērs plus hēlijs rada argonu.
7. Argons un hēlijs ražo kalciju.
8. Kalcijs plus hēlijs ražo titānu.
9. Titāns un hēlijs ražo hromu.
10. Hroms un hēlijs ražo dzelzi.

Citi kodolsintēzes ceļi rada elementus ar nepāra skaitu protonu. Dzelzs ir tik cieši saistīts kodols, ka, tiklīdz šis punkts ir sasniegts, turpmāka saplūšana nenotiek. Bez saplūšanas siltuma zvaigzne sabrūk un eksplodē triecienviļņā.

Fiziķis Lorenss Krauss atzīmē, ka ir nepieciešami 100 000 gadu, lai ogleklis sadegtu par skābekli, 10 000 gadu, lai skābeklis sadegtu par silīciju, un viena diena, lai silīcijs sadegtu par dzelzi un vēstītu par zvaigznes sabrukumu.

Astronoms Karls Sagans seriālā 'Cosmos' atzīmēja: 'Mēs esam izgatavoti no zvaigžņu lietām.' Krauss piekrita, norādot, ka 'katrs jūsu ķermeņa atoms kādreiz atradās zvaigznē, kas eksplodēja... Atomi jūsu kreisajā rokā, iespējams, nāk no citas zvaigznes nekā labajā rokā, jo 200 miljoni zvaigžņu ir eksplodējuši, veidojot atomus tavā ķermenī.'