Hviezdna nukleosyntéza: Ako hviezdy vytvárajú všetky prvky
Ako vznikajú prvky z vodíka a hélia
ROGER HARRIS/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
Hviezdna nukleosyntéza je proces, pri ktorom sa vo hviezdach vytvárajú prvky kombináciou protóny a neutróny spolu z jadier ľahších prvkov. Všetky atómy vo vesmíre začali ako vodík. Fúzia vo vnútri hviezd premieňa vodík na hélium, teplo a žiarenie. Ťažšie prvky sa vytvárajú v rôznych typoch hviezd, keď umierajú alebo explodujú.
História teórie
Myšlienka, že hviezdy spájajú atómy ľahkých prvkov, bola prvýkrát navrhnutá v 20. rokoch minulého storočia Einsteinovým silným podporovateľom Arthurom Eddingtonom. Skutočnú zásluhu na jej rozvinutí do koherentnej teórie má však práca Freda Hoyla v období po druhej svetovej vojne. Hoylova teória obsahovala niektoré významné rozdiely od súčasnej teórie, najmä to, že neveril teória veľkého tresku ale namiesto toho sa v našom vesmíre neustále vytváral vodík. (Táto alternatívna teória sa nazývala a teória ustáleného stavu a upadol do nemilosti, keď bolo zistené kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia.)
The Early Stars
Najjednoduchším typom atómu vo vesmíre je atóm vodíka, ktorý obsahuje jeden protón v jadre (pravdepodobne aj s niektorými neutrónmi visiacimi mimo neho) s elektrónmi obiehajúcimi toto jadro. Teraz sa verí, že tieto protóny vznikli pri neuveriteľne vysokej energii kvark-gluónová plazma veľmi raného vesmíru stratil dostatok energie, že kvarky sa začali spájať a vytvárať protóny (a iné hadróny ako neutróny). Vodík sa vytvoril takmer okamžite a dokonca aj hélium (s jadrami obsahujúcimi 2 protóny) sa vytvorilo v relatívne krátkom poradí (časť procesu nazývaného nukleosyntéza veľkého tresku).
Keď sa tento vodík a hélium začali tvoriť v ranom vesmíre, v niektorých oblastiach bol hustejší ako v iných. Prevzala gravitácia a nakoniec boli tieto atómy v obrovskom priestore stiahnuté do obrovských oblakov plynu. Keď sa tieto oblaky dostatočne zväčšili, boli pritiahnuté k sebe gravitáciou dostatočnou silou, aby skutočne spôsobili splynutie atómových jadier v procese tzv. jadrovej fúzie . Výsledkom tohto procesu fúzie je, že dva jednoprotónové atómy teraz vytvorili jediný dvojprotónový atóm. Inými slovami, dva atómy vodíka začali jeden atóm hélia. Energia uvoľnená počas tohto procesu spôsobuje, že slnko (alebo akákoľvek iná hviezda) horí.
Prepálenie vodíka trvá takmer 10 miliónov rokov a potom sa veci zahrejú a hélium sa začne spájať. Hviezdna nukleosyntéza pokračuje vo vytváraní ťažších a ťažších prvkov, až kým neskončíte so železom.
Vytváranie ťažších prvkov
Spaľovanie hélia na výrobu ťažších prvkov potom pokračuje asi 1 milión rokov. Z veľkej časti sa spája s uhlíkom prostredníctvom procesu trojitého alfa, pri ktorom sa transformujú tri jadrá hélia-4 (častice alfa). Alfa proces potom spája hélium s uhlíkom, čím vznikajú ťažšie prvky, ale len tie s párnym počtom protónov. Kombinácie idú v tomto poradí:
- Uhlík plus hélium produkuje kyslík.
- Kyslík plus hélium produkuje neón.
- Neon plus hélium produkuje horčík.
- Horčík plus hélium produkuje kremík.
- Kremík plus hélium produkuje síru.
- Síra plus hélium produkuje argón.
- Argón plus hélium produkuje vápnik.
- Vápnik plus hélium produkuje titán.
- Titán plus hélium produkuje chróm.
- Chróm plus hélium produkuje železo.
Iné fúzne cesty vytvárajú prvky s nepárnym počtom protónov. Železo má tak pevne viazané jadro, že po dosiahnutí tohto bodu už nedochádza k ďalšej fúzii. Bez tepla fúzie sa hviezda zrúti a exploduje v rázovej vlne.
Fyzik Lawrence Krauss poznamenáva, že trvá 100 000 rokov, kým sa uhlík spáli na kyslík, 10 000 rokov, kým sa kyslík spáli na kremík, a jeden deň, kým sa kremík spáli na železo a je predzvesťou kolapsu hviezdy.
Astronóm Carl Sagan v televíznom seriáli 'Cosmos' poznamenal: 'Sme stvorení z hviezdnej hmoty.' Krauss súhlasil a uviedol, že „každý atóm vo vašom tele bol raz vo vnútri hviezdy, ktorá explodovala... Atómy vo vašej ľavej ruke pravdepodobne pochádzajú z inej hviezdy ako v pravej ruke, pretože 200 miliónov hviezd explodovalo, aby vytvorili atómy. v tvojom tele.“