Звездный нуклеосинтез: как звезды создают все элементы

Звездный нуклеосинтез - это процесс, посредством которого элементы создаются внутри звезд путем объединения протоны и нейтроны вместе из ядер легких элементов. Все атомы во вселенной начинались как водород. Слияние внутри звезд превращает водород в гелий, тепло и излучение. Тяжелые элементы создаются в различных типах звезд, когда они умирают или взрываются.

Идея о том, что звезды соединяют атомы легких элементов, была впервые предложена в 1920-х годах сильным сторонником Эйнштейна Артуром Эддингтоном. Однако реальная заслуга в превращении ее в последовательную теорию дана работе Фреда Хойла после Второй мировой войны. Теория Хойла содержала некоторые существенные отличия от нынешней теории, в частности, что он не верил в теория большого взрыва но вместо этого этот водород постоянно создавался в нашей вселенной. (Эта альтернативная теория была названа теория устойчивого состояния и потерял самообладание, когда было обнаружено космическое микроволновое фоновое излучение.)

Самым простым типом атома во вселенной является атом водорода, который содержит один протон в ядре (возможно, также с вывешиванием некоторых нейтронов) с электронами, окружающими это ядро. Считается, что эти протоны образовались, когда невероятно высокая энергия

Когда этот водород и гелий начали образовываться в ранней вселенной, в некоторых областях он был плотнее, чем в других. Гравитация взяла верх, и в конечном итоге эти атомы были объединены в огромные облака газа на просторах космоса. Как только эти облака стали достаточно большими, они притягивались гравитацией с достаточной силой, чтобы фактически вызвать слияние атомных ядер, в процессе, называемом термоядерная реакция. Результатом этого процесса синтеза является то, что два однопротонных атома теперь образовали один двухпротонный атом. Другими словами, два атома водорода начали один единственный атом гелия. Энергия, высвобождаемая во время этого процесса, является причиной того, что солнце (или любая другая звезда в этом отношении) горит.

Требуется почти 10 миллионов лет, чтобы прожечь водород, а затем все нагревается, и гелий начинает плавиться. Звездный нуклеосинтез продолжает создавать все более и более тяжелые элементы, пока вы не получите железо.

Затем сжигание гелия с образованием более тяжелых элементов продолжается около 1 миллиона лет. По большей части, он сливается с углеродом посредством тройного альфа-процесса, в котором преобразуются три ядра гелия-4 (альфа-частицы). Альфа-процесс затем объединяет гелий с углеродом для производства более тяжелых элементов, но только тех, которые имеют четное количество протонов. Комбинации идут в следующем порядке:

1. Углерод плюс гелий производит кислород.
2. Кислород плюс гелий производит неон.
3. Неон плюс гелий производит магний.
4. Магний плюс гелий производит кремний.
5. Кремний плюс гелий производит серу.
6. Сера плюс гелий производит аргон.
7. Аргон плюс гелий производит кальций.
8. Кальций плюс гелий производит титан.
9. Титан плюс гелий производит хром.
10. Хром плюс гелий производит железо.

Другие пути синтеза создают элементы с нечетным числом протонов. Железо имеет такое тесно связанное ядро, что после достижения этой точки дальнейшее слияние не происходит. Без тепла синтеза звезда разрушается и взрывается в ударной волне.

Физик Лоуренс Краусс отмечает, что для сжигания углерода в кислород требуется 100 000 лет, для 10 000 лет - кислород, чтобы сжечь в кремнии, и однажды для кремния, чтобы сжечь в железе и предвещать крах звезда.

Астроном Карл Саган в сериале «Космос» отметил: «Мы сделаны из звездных вещей». Краусс согласился, заявив, что «каждый атом в вашем теле был когда-то внутри звезды, которая взорвалась... Атомы в вашей левой руке, вероятно, произошли от другой звезды, чем в вашей правой руке, потому что 200 миллионов звезд взорвались, чтобы составить атомы в вашем теле ".