Tähtien nukleosynteesi on prosessi, jolla elementit luodaan tähtiin yhdistämällä protoneja ja neutronit yhdessä kevyempien elementtien ytimistä. Kaikki maailmankaikkeuden atomit alkoivat vedynä. Tähteiden sisällä tapahtuva fuusio muuttaa vetyä heliumiksi, lämmöksi ja säteilyksi. Raskaammat elementit syntyvät erityyppisissä tähtiä kuollessaan tai räjähtäessä.
Teorian historia
Einsteinin vahva kannattaja Arthur Eddington ehdotti ideaa, että tähdet sulavat yhteen valoelementtien atomit, 1920-luvulla. Todellisen tunnustuksen sen kehittämiseksi yhtenäiseksi teoriaksi annetaan kuitenkin Fred Hoylen teokselle toisen maailmansodan jälkeen. Hoylen teoria sisälsi joitain merkittäviä eroja nykyisestä teoriasta, etenkin siitä, että hän ei uskonut iso bang teoria mutta sen sijaan, että vetyä syntyi jatkuvasti maailmankaikkeudessa. (Tätä vaihtoehtoista teoriaa kutsuttiin a vakaan tilan teoria ja putosivat suosiosta, kun kosminen mikroaaltosäteily havaittiin.)
Universumin yksinkertaisin atomiatyyppi on vetyatomi, joka sisältää ytimessä yhden protonin (mahdollisesti myös joidenkin neutronien kanssa ripustettuna) ja ytimen kiertävät elektronit. Näiden protonien uskotaan nyt muodostuvan, kun uskomattoman korkea energia
kvarki-gluoniplasma hyvin varhaisesta maailmankaikkeudesta menetti tarpeeksi energiaa kvarkkien alkoi sitoutuminen toisiinsa protonien (ja muiden) muodostamiseksi hadronien, kuten neutronit). Vety muodostui melko hetkessä ja jopa helium (jossa ytimet sisältävät 2 protonia) muodostuivat suhteellisen lyhyessä järjestyksessä (osa prosessista, johon viitataan nimellä Big Bang -nukleosynteesi).Kun tämä vety ja helium alkoivat muodostua varhaisessa maailmankaikkeudessa, oli joillain alueilla, joissa se oli tiheämpää kuin toisissa. Painovoima otti haltuunsa ja lopulta nämä atomit vedettiin yhteen massiivisiksi pilvikaasuiksi avaruuden laajuudessa. Kun nämä pilvet tulivat riittävän suuriksi, ne vedettiin yhteen painovoiman avulla riittävän voimakkaasti aiheuttamaan atomiytimien sulautumisen prosessissa nimeltä ydinfuusio. Tämän fuusioprosessin tulos on, että kaksi yhden protonin atomia ovat nyt muodostaneet yhden kaksi protoniatomia. Toisin sanoen kaksi vetyatomia on alkanut yhden ainoan heliumatomin. Tämän prosessin aikana vapautuva energia aiheuttaa sen, että aurinko (tai mikä tahansa muu tähti) palaa.
Palamisen vety läpi kestää lähes 10 miljoonaa vuotta ja sitten asiat kuumenevat ja heliumi alkaa sulautua. Tähtien nukleosynteesi tuottaa edelleen raskaampia ja raskaampia elementtejä, kunnes lopulta päädyt rauhaan.
Raskaampien elementtien luominen
Heliumin polttaminen raskaampien alkuaineiden tuottamiseksi jatkuu sitten noin miljoona vuotta. Suuressa määrin se fuusioidaan hiileksi triple-alfa-prosessin kautta, jossa muuttuvat kolme helium-4-ydintä (alfahiukkaset). Alfaprosessissa yhdistetään sitten helium hiilen kanssa raskaampien alkuaineiden tuottamiseksi, mutta vain sellaiset, joissa on parillinen määrä protoneja. Yhdistelmät menevät tässä järjestyksessä:
- Hiili plus helium tuottaa happea.
- Happi ja helium tuottavat neonia.
- Neon plus helium tuottaa magnesiumia.
- Magnesium ja helium tuottavat piitä.
- Pii ja helium tuottavat rikkiä.
- Rikki plus helium tuottaa argonia.
- Argon plus helium tuottavat kalsiumia.
- Kalsium plus helium tuottavat titaania.
- Titaani ja helium tuottavat kromia.
- Kromi plus helium tuottavat rautaa.
Muut fuusioreitit luovat elementtejä parittomalla määrällä protoneja. Raudalla on niin tiukasti sidottu ydin, että fuusio ei tapahdu enää, kun tämä kohta on saavutettu. Ilman fuusiolämpöä tähti romahtaa ja räjähtää iskuaallossa.
Fyysikko Lawrence Krauss toteaa, että hiilen palamiseen happea kuluu 100 000 vuotta, 10 000 vuotta happea palamaan piiksi ja yhtenä päivänä piin palamaan rautaksi ja julistamaan piin romahtamista tähti.
Tähtitieteilijä Carl Sagan TV-sarjassa "Cosmos" totesi: "Olemme tehty tähtiä." Krauss oli yhtä mieltä siitä, että "jokainen kehosi atomi oli kerran tähtiä, joka räjähti... Vasemman käden atomit luultavasti tulivat toiselta tähdeltä kuin oikealta kädeltä, koska 200 miljoonaa tähteä on räjähtänyt muodostamaan kehosi atomit. "