سنتز هسته ای ستاره ای: چگونه ستاره ها عناصر را تولید می‌کنند
سنتز هسته ای ستاره ای فرآیندی است که در آن عناصر درون ستاره ها ایجاد می شوند، با ترکیب پروتون ها و نوترون ها از هسته های عناصر سبک تر. تمام اتم های موجود در جهان از هیدروژن آغاز شده اند. فرآیند همجوشی درون ستاره ها هیدروژن را به هلیوم، حرارت و تابش تبدیل می کند. عناصر سنگین تر در انواع مختلفی از ستاره ها در هنگام مرگ یا انفجار آن ها ایجاد می شوند.
تاریخچه نظریه سنتز هسته ای ستاره ای
ایده ای که ستاره ها اتم های عناصر سبک را به هم می فشرند اولین بار در دهه ۱۹۲۰ توسط آرتور ادوینگتون، حامی قوی اینشتین پیشنهاد شد. با این حال، اعتبار واقعی توسعه آن به عنوان یک نظریه منسجم به کارهای فرد هویل در پس از جنگ جهانی دوم داده می شود. نظریه هویل تفاوت های قابل توجهی با نظریه کنونی داشت، به ویژه اینکه او به نظریه بیگ بنگ اعتقادی نداشت و به جای آن بر این باور بود که هیدروژن به طور مداوم درون جهان ما ایجاد می شود. (این نظریه جایگزین، نظریه حالت پایدار نامیده شد و پس از کشف تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی اعتبارش را از دست داد.)
ستاره های اولیه
ساده ترین نوع اتم در جهان، اتم هیدروژن است که یک پروتون در هسته دارد (احتمالاً با برخی نوترون های اطراف) و الکترون ها در اطراف آن هسته در گردش هستند. حالا باور بر این است که این پروتون ها زمانی شکل گرفته اند که پلاسما نره ای و کوارک-گلوون در اوایل جهان با انرژی بسیار بالا به اندازه کافی انرژی از دست دادند تا کوارک ها شروع به پیوند زدن با هم کنند و پروتون ها (و سایر هادرون ها، مانند نوترون ها) را شکل دهند. هیدروژن تقریباً به طور آنی تشکیل شد و حتی هلیوم (با هسته هایی که ۲ پروتون دارند) در مدت زمان نسبتا کوتاهی شکل گرفت (قسمتی از فرآیندی که به آن سنتز هسته ای بیگ بنگ گفته می شود).
زمانی که این هیدروژن و هلیوم در اوایل جهان شروع به تشکیل کردند، برخی مناطق دارای چگالی بیشتری نسبت به دیگر مناطق بودند. گرانش به کار خود ادامه داد و در نهایت این اتم ها به هم کشیده شدند و به ابرهای گازی عظیم در پهنه فضا تبدیل شدند. هنگامی که این ابرها به اندازه کافی بزرگ شدند، به واسطه گرانش با نیروی کافی به هم کشیده شدند تا واقعاً هسته های اتمی شروع به همجوشی کنند، در فرآیندی به نام همجوشی هسته ای. نتیجه این فرآیند همجوشی این است که دو اتم با یک پروتون اکنون یک اتم با دو پروتون را تشکیل داده اند. به عبارت دیگر، دو اتم هیدروژن اکنون یک اتم هلیوم را تشکیل داده اند. انرژی آزاد شده در طول این فرآیند است که باعث می شود خورشید (یا هر ستاره دیگری) بسوزد.
تقریباً ۱۰ میلیون سال طول می کشد تا هیدروژن بسوزد و سپس دما افزایش یافته و هلیوم شروع به همجوشی می کند. سنتز هسته ای ستاره ای به تولید عناصر سنگین تر و سنگین تر ادامه می دهد تا در نهایت به آهن برسید.
ایجاد عناصر سنگین تر
سوزاندن هلیوم برای تولید عناصر سنگین تر، حدود ۱ میلیون سال ادامه دارد. عمدتاً، هلیوم به کربن از طریق فرآیند سه گانه آلفا تبدیل می شود که در آن سه هسته هلیوم-۴ (ذرات آلفا) شکل می گیرند. فرآیند آلفا سپس هلیوم را با کربن ترکیب می کند تا عناصر سنگین تر تولید کند، اما فقط آن هایی با تعداد زوج پروتون ها. ترکیبات به این ترتیب پیش می روند:
- کربن به همراه هلیوم، اکسیژن تولید می کند.
- اکسیژن به همراه هلیوم، نئون تولید می کند.
- نئون به همراه هلیوم، منیزیم تولید می کند.
- منیزیم به همراه هلیوم، سیلیکون تولید می کند.
- سیلیکون به همراه هلیوم، گوگرد تولید می کند.
- گوگرد به همراه هلیوم، آرگون تولید می کند.
- آرگون به همراه هلیوم، کلسیم تولید می کند.
- کلسیم به همراه هلیوم، تیتانیوم تولید می کند.
- تیتانیوم به همراه هلیوم، کروم تولید می کند.
- کروم به همراه هلیوم، آهن تولید می کند.
مسیرهای ادغام دیگر عناصر را با شماره های فرد پروتون ها ایجاد می کنند. آهن دارای هسته ای به شدت متراکم است که دیگر ادغامی پس از رسیدن به آن نقطه وجود ندارد. بدون حرارت ادغام، ستاره فرو می ریزد و در یک موج شوک منفجر می شود.
فیزیکدان لورنس کراس اشاره می کند که ۱۰۰,۰۰۰ سال طول می کشد تا کربن به اکسیژن سوخته شود، ۱۰,۰۰۰ سال برای سوختن اکسیژن به سیلیکون و یک روز برای سوختن سیلیکون به آهن و اعلام فروپاشی ستاره.
منجمی کارل سیگان در سریال تلویزیونی "کیهان" اشاره کرد: "ما از مواد ستاره ای ساخته شده ایم." کراس موافقت کرد و گفت: "هر اتم در بدن شما یک بار درون ستاره ای که منفجر شده بوده، بوده است... اتم های دست چپ شما احتمالاً از یک ستاره متفاوت به نسبت دست راست شما آمده اند، زیرا ۲۰۰ میلیون ستاره منفجر شده اند تا اتم های بدن شما را تشکیل دهند."
- فیزیک
- علم
