Stellar nukleosyntes Hur stjärnor gör alla element

Stellär nukleosyntes är processen genom vilken element skapas i stjärnor genom att kombinera protoner och neutroner från kärnorna i lättare element. Alla atomerna i universum började som väte. Fusion inne i stjärnor förvandlar väte till helium, värme och strålning. Tyngre element skapas i olika typer av stjärnor när de dör eller exploderar.

Teorins historia

Idén att stjärnor smälter samman atomerna i ljusa element föreslogs först på 1920-talet av Einsteins starka anhängare Arthur Eddington. Emellertid ges den verkliga krediten för att utveckla den till en sammanhängande teori till Fred Hoyles arbete efter andra världskriget. Hoyles teori innehöll några betydande skillnader från den nuvarande teorin, särskilt att han inte trodde på big bang-teorin utan istället att väte kontinuerligt skapades i vårt universum. (Den här alternativa teorin kallades en steady state-teori och föll utan fördel när den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen upptäcktes.)

De tidiga stjärnorna

Den enklaste typen av atom i universum är en väteatom, som innehåller en enda proton i kärnan (eventuellt med vissa neutroner som hänger också) med elektroner som cirklar den kärnan. Dessa protoner tros nu ha bildats när den otroligt höga energin kvark-gluon plasma av det mycket tidiga universum förlorade tillräckligt med energi för att kvarkar började bindas samman för att bilda protoner (och andra hadroner, som neutroner). Väte bildades ganska mycket omedelbart och till och med helium (med kärnor innehållande 2 protoner) bildade i relativt kort ordning (del av en process som kallas Big Bang-nukleosyntes).

När detta väte och helium började bildas i det tidiga universum fanns det några områden där det var tätare än i andra. Tyngdekraften tog över och så småningom togs dessa atomer samman till massiva molngas i rymdets enorma omfattning. När dessa moln blev tillräckligt stora, drogs de samman av tyngdkraften med tillräckligt med kraft för att faktiskt få atomkärnorna att smälta samman, i en process som kallas kärnfusion. Resultatet av denna fusionsprocess är att de två en-protonatomerna nu har bildat en enda två-protonatom. Med andra ord har två väteatomer startat en enda heliumatom. Energin som frigörs under denna process är det som får solen (eller någon annan stjärna, för den delen) att bränna.

Det tar nästan 10 miljoner år att bränna igenom väte och sedan värms saker upp och helium börjar smälta. Stellar nukleosyntes fortsätter att skapa tyngre och tyngre element tills du hamnar med järn.

Skapa de tyngre elementen

Förbränningen av helium för att producera tyngre element fortsätter sedan i cirka 1 miljon år. I stort sett smälts det till kol via trippel-alfa-processen där tre helium-4-kärnor (alfapartiklar) transformeras. Alfaprocessen kombinerar sedan helium med kol för att producera tyngre element, men bara de med ett jämnt antal protoner. Kombinationerna går i denna ordning:

1. Kol plus helium producerar syre.
2. Syre plus helium producerar neon.
3. Neon plus helium producerar magnesium.
4. Magnesium plus helium producerar kisel.
5. Kisel plus helium producerar svavel.
6. Svavel plus helium producerar argon.
7. Argon plus helium producerar kalcium.
8. Kalcium plus helium producerar titan.
9. Titanium plus helium producerar krom.
10. Krom plus helium producerar järn.

Andra fusionsvägar skapar elementen med udda antal protoner. Järn har en så tätt bunden kärna att det inte finns ytterligare fusion när den punkten har nåtts. Utan fusionsvärmen kollapsar stjärnan och exploderar i en chockvåg.

Fysikern Lawrence Krauss konstaterar att det tar 100 000 år för kolet att bränna till syre, 10 000 år för syre att bränna till kisel, och en dag för kisel att bränna till järn och säger att stjärnan kollapsade.

Astronom Carl Sagan i TV-serien "Cosmos" noterade: "Vi är gjorda av stjärnsaker." Krauss instämde och konstaterade att "varje atom i din kropp en gång var inne i en stjärna som exploderade ... Atomerna i din vänstra hand kom antagligen från en annan stjärna än i din högra hand, eftersom 200 miljoner stjärnor har exploderat för att bilda atomerna i din kropp."