Η αστρική νουκλεοσύνθεση είναι η διαδικασία με την οποία τα στοιχεία δημιουργούνται μέσα στα αστέρια συνδυάζοντας το πρωτόνια και νετρόνια από τους πυρήνες των ελαφρύτερων στοιχείων. Όλα τα άτομα στο σύμπαν ξεκίνησαν ως υδρογόνο. Η σύντηξη μέσα στα αστέρια μετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιο, θερμότητα και ακτινοβολία. Τα βαρύτερα στοιχεία δημιουργούνται σε διαφορετικούς τύπους αστεριών καθώς πεθαίνουν ή εκρήγνυνται.
Ιστορία της Θεωρίας
Η ιδέα ότι τα αστέρια συγχωνεύουν τα άτομα των ελαφρών στοιχείων προτάθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1920, από τον ισχυρό υποστηρικτή του Αϊνστάιν Άρθουρ Έντινγκτον. Ωστόσο, η πραγματική πίστωση για την ανάπτυξη της σε μια συνεκτική θεωρία δίνεται στο έργο του Fred Hoyle μετά τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο. Η θεωρία του Hoyle περιείχε κάποιες σημαντικές διαφορές από την τρέχουσα θεωρία, κυρίως ότι δεν πίστευε στο θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αλλά αντί αυτού δημιουργήθηκε συνεχώς υδρογόνο μέσα στο σύμπαν μας. (Αυτή η εναλλακτική θεωρία ονομάστηκε a θεωρία σταθερής κατάστασης και έπεσε από τη χάρη όταν ανιχνεύθηκε η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου.)
Ο απλούστερος τύπος του ατόμου στο σύμπαν είναι ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο περιέχει ένα μόνο πρωτόνιο στον πυρήνα (πιθανώς με κάποια νετρόνια που κρέμονται επίσης), με ηλεκτρόνια που περιβάλλουν αυτόν τον πυρήνα. Αυτά τα πρωτόνια πιστεύεται τώρα ότι έχουν σχηματιστεί όταν η απίστευτα υψηλή ενέργεια κουάρκ-γλυκόνης πλάσματος από το πολύ πρώιμο σύμπαν έχασαν αρκετή ενέργεια κουάρκ άρχισαν να ενώνονται μαζί για να σχηματίσουν πρωτόνια (και άλλα hadrons, όπως τα νετρόνια). Το υδρογόνο σχηματίστηκε σχεδόν άμεσα και ακόμη και το ήλιο (με πυρήνες που περιέχουν 2 πρωτόνια) σχηματίστηκε σε σχετικά βραχεία σειρά (μέρος μιας διαδικασίας που αναφέρεται ως νουκλεοσύνθεση Big Bang).
Καθώς το υδρογόνο και το ήλιο άρχισαν να σχηματίζονται στο πρώιμο σύμπαν, υπήρχαν μερικές περιοχές όπου ήταν πυκνότερες από ό, τι σε άλλες. Η βαρύτητα ανέλαβε και τελικά αυτά τα άτομα τραβήχτηκαν μαζί σε μαζική σύννεφο αέριο στην απεραντοσύνη του χώρου. Μόλις αυτά τα σύννεφα έγιναν αρκετά μεγάλα, συνενώθηκαν με τη βαρύτητα με αρκετή δύναμη για να προκαλέσουν πραγματικά την πυρήνωση των ατομικών πυρήνων, σε μια διαδικασία που ονομάζεται πυρηνική σύντηξη. Το αποτέλεσμα αυτής της διεργασίας σύντηξης είναι ότι τα δύο άτομα ενός πρωτονίου έχουν σχηματίσει τώρα ένα μόνο άτομο δύο πρωτονίων. Με άλλα λόγια, δύο άτομα υδρογόνου έχουν ξεκινήσει ένα μόνο άτομο ηλίου. Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας είναι αυτό που προκαλεί τον ήλιο (ή οποιοδήποτε άλλο αστέρι, για το θέμα αυτό) να καεί.
Χρειάζονται σχεδόν 10 εκατομμύρια χρόνια για να καούν μέσα από το υδρογόνο και στη συνέχεια τα πράγματα θερμαίνονται και το ήλιο αρχίζει τη σύντηξη. Η αστρική νουκλεοσύνθεση συνεχίζει να δημιουργεί βαρύτερα και βαρύτερα στοιχεία μέχρι να καταλήξετε σε σίδηρο.
Δημιουργία των βαρύτερων στοιχείων
Η καύση ηλίου για την παραγωγή βαρύτερων στοιχείων συνεχίζεται για περίπου 1 εκατομμύριο χρόνια. Σε μεγάλο βαθμό, συγχωνεύεται σε άνθρακα μέσω της διαδικασίας τριπλής άλφα στην οποία μετατρέπονται τρεις πυρήνες ηλίου-4 (σωματίδια άλφα). Η διαδικασία άλφα συνδυάζει έπειτα το ήλιο με άνθρακα για να παράγει βαρύτερα στοιχεία, αλλά μόνο εκείνα με άρτιο αριθμό πρωτονίων. Οι συνδυασμοί πηγαίνουν με αυτή τη σειρά:
- Ο άνθρακας συν ήλιο παράγει οξυγόνο.
- Το οξυγόνο συν ήλιο παράγει νέον.
- Το νέον συν ήλιο παράγει μαγνήσιο.
- Το μαγνήσιο συν ήλιο παράγει πυρίτιο.
- Το πυρίτιο συν ήλιο παράγει θείο.
- Το θείο και το ήλιο παράγουν αργό.
- Το αργόν και το ήλιο παράγουν ασβέστιο.
- Το ασβέστιο συν ήλιο παράγει τιτάνιο.
- Το τιτάνιο συν ήλιο παράγει χρώμιο.
- Χρώμιο συν ήλιο παράγει σίδηρο.
Άλλες διαδρομές σύντηξης δημιουργούν τα στοιχεία με μονό αριθμό πρωτονίων. Ο σίδηρος έχει έναν τόσο πυκνό δεσμό πυρήνα ώστε να μην υπάρχει περαιτέρω σύντηξη όταν επιτευχθεί αυτό το σημείο. Χωρίς τη θερμότητα σύντηξης, το αστέρι καταρρέει και εκρήγνυται σε ένα κρουστικό κύμα.
Ο φυσικός Lawrence Krauss σημειώνει ότι χρειάζονται 100.000 χρόνια για τον άνθρακα να καίει σε οξυγόνο, 10.000 χρόνια για το οξυγόνο για να καεί σε πυρίτιο, και μια μέρα για το πυρίτιο να καίει στο σίδερο και να δηλώνει την κατάρρευση του αστέρι.
Ο αστρονόμος Carl Sagan στην τηλεοπτική σειρά "Cosmos" σημείωσε: "Είμαστε κατασκευασμένοι από αστέρι-stuff." Ο Krauss συμφώνησε, δηλώνοντας ότι "κάθε άτομο στο σώμα σας ήταν κάποτε μέσα σε ένα αστέρι που εξερράγη... Τα άτομα στο αριστερό σας χέρι προήλθαν πιθανώς από διαφορετικό αστέρι από ό, τι στο δεξί σας χέρι, επειδή 200 εκατομμύρια αστέρια έχουν εκραγεί για να φτιάξουν τα άτομα στο σώμα σας. "