Nucleosinteza stelară Cum fac stelele toate elementele

Nucleosinteza stelară este procesul prin care elementele sunt create în interiorul stelelor prin combinarea protonilor și neutronilor împreună din nucleele elementelor mai ușoare. Toți atomii din univers au început ca hidrogen. Fuziunea în interiorul stelelor transformă hidrogenul în heliu, căldură și radiație. Elementele mai grele sunt create în diferite tipuri de stele pe măsură ce mor sau explodează.

Istoria teoriei

Ideea că stelele fuzionează împreună atomii elementelor ușoare a fost propusă pentru prima dată în anii 1920, de puternicul susținător al lui Einstein, Arthur Eddington. Cu toate acestea, adevăratul credit pentru dezvoltarea lui într-o teorie coerentă este dat lucrărilor lui Fred Hoyle după perioada celui de-al Doilea Război Mondial. Teoria lui Hoyle conținea câteva diferențe semnificative față de teoria actuală, mai ales că nu credea în teoria big bang-ului, ci în schimb că hidrogenul a fost creat în mod continuu în universul nostru. (Această teorie alternativă a fost numită teorie în stare constantă și a căzut în favoarea atunci când a fost detectată radiația cosmică de fundal cu microunde.)

Stelele timpurii

Cel mai simplu tip de atom din univers este un atom de hidrogen, care conține un singur proton în nucleu (eventual și cu unii neutroni care se agăță), cu electroni care înconjoară acel nucleu. Se crede că acești protoni s-au format acum când energia incredibil de mare plasma de quark-gluon din universul foarte timpuriu a pierdut destulă energie încât quark-urile au început să se lege pentru a forma protoni (și alți hadroni, cum ar fi neutronii). Hidrogenul s-a format aproape instantaneu și chiar heliul (cu nuclee care conțin 2 protoni) s-a format într-o ordine relativ scurtă (parte a unui proces denumit nucleozinteza Big Bang).

Pe măsură ce acest hidrogen și heliu au început să se formeze în universul timpuriu, au existat anumite zone în care era mai dens decât în ​​altele. Gravitatea a preluat și, în cele din urmă, acești atomi au fost atrași împreună în gazul norilor masivi, în imensitatea spațiului. Odată ce acești nori au devenit suficient de mari, au fost atrași de gravitație cu suficientă forță pentru a determina nucleele atomice să fuzioneze, într-un proces numit fuziune nucleară. Rezultatul acestui proces de fuziune este că cei doi atomi de un proton au format acum un singur atom de doi protoni. Cu alte cuvinte, doi atomi de hidrogen au început un singur atom de heliu. Energia eliberată în timpul acestui proces este ceea ce face ca soarele (sau orice altă stea, pentru această materie) să ardă.

Este nevoie de aproape 10 milioane de ani pentru a arde prin hidrogen și apoi lucrurile se încălzesc și heliul începe să se contopească. Nucleosinteza stelară continuă să creeze elemente mai grele și mai grele până când sfârșiți cu fierul.

Crearea elementelor mai grele

Arderea heliului pentru a produce elemente mai grele continuă apoi timp de aproximativ 1 milion de ani. În mare parte, este fuzionat în carbon prin procesul triplu-alfa în care sunt transformate trei nuclee de heliu-4 (particule alfa). Procesul alfa combină apoi heliu cu carbon pentru a produce elemente mai grele, dar numai cele cu un număr egal de protoni. Combinațiile merg în această ordine:

1. Carbon plus heliu produce oxigen.
2. Oxigenul plus heliul produc neon.
3. Neonul plus heliul produc magneziu.
4. Magneziul plus heliul produc siliciu.
5. Siliciul plus heliul produc sulf.
6. Sulful plus heliul produc argon.
7. Argonul plus heliul produc calciu.
8. Calciul plus heliul produc titan.
9. Titanul plus heliul produc crom.
10. Cromul plus heliul produc fier.

Alte căi de fuziune creează elementele cu un număr impar de protoni. Fierul are un nucleu atât de strâns, încât nu mai există fuziune odată ce acest punct este atins. Fără căldura fuziunii, steaua se prăbușește și explodează într-o undă de șoc.

Fizicianul Lawrence Krauss observă că este nevoie de 100.000 de ani ca carbonul să ardă în oxigen, 10.000 de ani pentru ca oxigenul să ardă în siliciu și o zi pentru ca siliconul să ardă în fier și să anunțe prăbușirea stelei.

Astronomul Carl Sagan din serialul TV „Cosmos” a menționat: „Suntem făcuți din stele”. Krauss a fost de acord, afirmând că „fiecare atom din corpul tău a fost odată în interiorul unei stele care a explodat ... Atomii din mâna stângă probabil proveneau de la o stea diferită decât din mâna dreaptă, pentru că 200 de milioane de stele au explodat pentru a alcătui atomii din dvs. corp."