Gwiezdna nukleosynteza to proces, w którym pierwiastki powstają w gwiazdach poprzez połączenie protony i neutrony razem z jąder jaśniejszych elementów. Wszystkie atomy we wszechświecie zaczęły się jako wodór. Fuzja wewnątrz gwiazd przekształca wodór w hel, ciepło i promieniowanie. Cięższe pierwiastki powstają w różnych typach gwiazd, które giną lub eksplodują.
Historia teorii
Pomysł, że gwiazdy łączą ze sobą atomy lekkich pierwiastków, został po raz pierwszy zaproponowany w latach dwudziestych XX wieku, silny zwolennik Einsteina, Arthur Eddington. Jednak prawdziwym uznaniem za przekształcenie go w spójną teorię jest dzieło Freda Hoyle'a po II wojnie światowej. Teoria Hoyle'a zawierała pewne znaczące różnice w stosunku do obecnej teorii, zwłaszcza że nie wierzył w teoria wielkiego podrywu ale zamiast tego ten wodór nieustannie powstawał w naszym wszechświecie. (Ta alternatywna teoria została nazwana a teoria stanu ustalonego i wypadł z łask, gdy wykryto kosmiczne promieniowanie mikrofalowe w tle).
Najprostszym rodzajem atomu we wszechświecie jest atom wodoru, który zawiera pojedynczy proton w jądrze (prawdopodobnie również z wiszącymi niektórymi neutronami) z elektronami krążącymi wokół tego jądra. Uważa się teraz, że protony te powstały, gdy niesamowicie wysoka energia plazma kwarkowo-gluonowa bardzo wczesnego wszechświata stracił wystarczającą ilość energii, która kwarki zaczął wiązać się, tworząc protony (i inne hadrony, jak neutrony). Wodór utworzył się niemal natychmiast, a nawet hel (z jądrami zawierającymi 2 protony) utworzył się w stosunkowo krótkim czasie (część procesu zwanego nukleosyntezą Wielkiego Wybuchu).
Gdy wodór i hel zaczęły tworzyć się we wczesnym wszechświecie, w niektórych obszarach był gęstszy niż w innych. Grawitacja przejęła władzę i ostatecznie te atomy zostały zgromadzone w olbrzymi obłok gazu w przestrzeni kosmicznej. Gdy chmury te stały się wystarczająco duże, zostały przyciągnięte przez grawitację z wystarczającą siłą, aby faktycznie stopić jądra atomowe, w procesie zwanym fuzja nuklearna. Rezultatem tego procesu fuzji jest to, że dwa atomy jednego protonu utworzyły teraz pojedynczy atom dwóch protonów. Innymi słowy, dwa atomy wodoru rozpoczęły jeden atom helu. Energia uwalniana podczas tego procesu powoduje spalanie Słońca (lub innej gwiazdy).
Spalanie wodoru zajmuje prawie 10 milionów lat, a następnie rzeczy się nagrzewają i hel zaczyna się topić. Gwiezdna nukleosynteza tworzy coraz cięższe pierwiastki, dopóki nie skończysz z żelazem.
Tworzenie cięższych elementów
Następnie spalanie helu w celu wytworzenia cięższych pierwiastków trwa około 1 miliona lat. W dużej mierze jest on stapiany z węglem w procesie potrójnego alfa, w którym transformowane są trzy jądra helu-4 (cząstki alfa). Proces alfa łączy następnie hel z węglem, aby wytworzyć cięższe pierwiastki, ale tylko te z parzystą liczbą protonów. Kombinacje są w następującej kolejności:
- Węgiel plus hel produkuje tlen.
- Tlen plus hel wytwarzają neony.
- Neon plus hel produkuje magnez.
- Magnez plus hel wytwarzają krzem.
- Krzem plus hel wytwarzają siarkę.
- Siarka plus hel wytwarzają argon.
- Argon plus hel produkują wapń.
- Wapń i hel produkują tytan.
- Tytan plus hel wytwarzają chrom.
- Chrom plus hel wytwarzają żelazo.
Inne ścieżki syntezy tworzą elementy o nieparzystej liczbie protonów. Żelazo ma tak ściśle związane jądro, że po osiągnięciu tego punktu nie dochodzi do dalszej fuzji. Bez ciepła syntezy gwiazda zapada się i eksploduje w fali uderzeniowej.
Fizyk Lawrence Krauss zauważa, że spalanie węgla w tlen zajmuje 100 000 lat, a 10 000 lat tlen spali się w krzem, a pewnego dnia krzem wypali się w żelazo i zwiastuje upadek gwiazda.
Astronom Carl Sagan w serialu „Kosmos” zauważył: „Jesteśmy stworzeni z gwiezdnych rzeczy”. Krauss zgodził się, stwierdzając, że „każdy atom w twoim ciele był kiedyś w gwieździe, która wybuchła... Atomy w lewej ręce prawdopodobnie pochodziły od innej gwiazdy niż w prawej ręce, ponieważ 200 milionów gwiazd eksplodowało, tworząc atomy w twoim ciele. ”