Stellar nucleosynthesis: Hvordan stjerner gør alle elementerne

Stellar nucleosynthesis er den proces, hvormed elementer skabes i stjerner ved at kombinere protoner og neutroner sammen fra kernerne i lettere elementer. Alle atomer i universet begyndte som brint. Fusion inde i stjerner omdanner brint til helium, varme og stråling. Tyngre elementer oprettes i forskellige typer stjerner, når de dør eller eksploderer.

Ideen om, at stjerner smelter sammen atomer i lette elementer blev først foreslået i 1920'erne af Einsteins stærke tilhænger Arthur Eddington. Imidlertid gives den reelle æren for at udvikle den til en sammenhængende teori til Fred Hoyles arbejde i kølvandet på 2. verdenskrig. Hoyle's teori indeholdt nogle væsentlige forskelle fra den nuværende teori, især at han ikke troede på teorien om Big Bang men i stedet blev brint kontinuerligt skabt i vores univers. (Denne alternative teori blev kaldt a stabil tilstand teori og faldt ude af fordel, da den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling blev detekteret.)

Den enkleste type atom i universet er et hydrogenatom, der indeholder en enkelt proton i kernen (muligvis med nogle neutroner, der også hænger ud) med elektroner, der cirkler rundt om denne kerne. Disse protoner antages nu at have dannet sig når den utroligt høje energi

Da dette brint og helium begyndte at dannes i det tidlige univers, var der nogle områder, hvor det var tættere end i andre. Tyngdekraften tog over, og til sidst blev disse atomer trukket sammen til massiv skygas i verdensrummet. Når disse skyer blev store nok, blev de trukket sammen af ​​tyngdekraft med tilstrækkelig kraft til faktisk at få atomkernerne til at smelte sammen, i en proces kaldet kernefusion. Resultatet af denne fusionsproces er, at de to en-protonatomer nu har dannet et enkelt to-protonatom. Med andre ord er to hydrogenatomer begyndt med et enkelt heliumatom. Den energi, der frigøres under denne proces, er hvad der får solen (eller enhver anden stjerne for den sags skyld) til at forbrænde.

Det tager næsten 10 millioner år at brænde gennem brintet, og så opvarmes tingene, og helium begynder at smelte sammen. Stellar nucleosynthesis skaber fortsat tyngre og tungere elementer, indtil du ender med jern.

Forbrænding af helium for at producere tungere elementer fortsætter derefter i cirka 1 million år. Stort set smeltes det til kulstof via triple-alpha-processen, hvor tre helium-4-kerner (alpha-partikler) transformeres. Alfaprocessen kombinerer derefter helium med kulstof for at producere tungere elementer, men kun dem med et jævnt antal protoner. Kombinationerne går i denne rækkefølge:

1. Carbon plus helium producerer ilt.
2. Oxygen plus helium producerer neon.
3. Neon plus helium producerer magnesium.
4. Magnesium plus helium producerer silicium.
5. Silicium plus helium producerer svovl.
6. Svovl plus helium producerer argon.
7. Argon plus helium producerer calcium.
8. Calcium plus helium producerer titan.
9. Titanium plus helium producerer krom.
10. Chrom plus helium producerer jern.

Andre fusionsveje skaber elementerne med ulige antal protoner. Jern har en så tæt bundet kerne, at der ikke er yderligere fusion, når dette punkt er nået. Uden fusionens varme kollapser stjernen og eksploderer i en stødbølge.

Fysiker Lawrence Krauss bemærker, at det tager 100.000 år for carbonet at brænde til ilt, 10.000 år i ilt, der skal brænde i silicium, og en dag for at silicium brænder i jern og indikerer sammenbruddet af stjerne.

Astronom Carl Sagan i tv-serien "Cosmos" bemærkede: "Vi er lavet af stjernestoffer." Krauss var enig og sagde, at "hvert atom i din krop engang var inde i en stjerne, der eksploderede... Atomerne i din venstre hånd kom sandsynligvis fra en anden stjerne end i din højre hånd, fordi 200 millioner stjerner har eksploderet for at udgøre atomer i din krop. "