Zvaigžņu nukleosintēze ir process, kurā elementi tiek veidoti zvaigznēs, apvienojot protoni un neitroni kopā no gaišāku elementu kodoliem. Visi Visuma atomi sākās kā ūdeņradis. Saplūšana zvaigžņu iekšienē pārveido ūdeņradi hēlijā, siltumā un starojumā. Smagākie elementi tiek veidoti dažāda veida zvaigznēs, tiem mirot vai eksplodējot.
Teorijas vēsture
Ideju, ka zvaigznes saplūst kopā ar gaismas elementu atomiem, pirmo reizi ierosināja 20. gadsimta 20. gados Einšteina spēcīgais atbalstītājs Artūrs Eddingtons. Tomēr reālais kredīts, lai to attīstītu par saskanīgu teoriju, tiek dots Freda Hoiles darbam pēc Otrā pasaules kara. Hoilas teorijā bija dažas būtiskas atšķirības no pašreizējās teorijas, īpaši tāpēc, ka viņš neticēja lielā sprādziena teorija bet tā vietā ūdeņradis tika nepārtraukti radīts mūsu Visumā. (Šo alternatīvo teoriju sauca par līdzsvara stāvokļa teorija un izkrita no labvēlības, kad tika atklāts kosmiskais mikroviļņu fona starojums.)
Visvienkāršākais atomu tips Visumā ir ūdeņraža atoms, kura kodolā ir atsevišķs protons (iespējams, ar dažiem neitroniem arī karājas) ar elektroniem, kas riņķo pa šo kodolu. Tagad tiek uzskatīts, ka šie protoni ir izveidojušies, kad notiek neticami liela enerģija
quark-gluon plazma no agrīnā Visuma zaudēja pietiekami daudz enerģijas, ka kvarki sāka savienoties, veidojot protonus (un citus hadrons, piemēram, neitroni). Ūdeņradis veidojas gandrīz uzreiz un pat hēlijs (ar kodoliem, kas satur 2 protonus) veidojas salīdzinoši īsā secībā (procesa daļa, ko dēvē par lielā sprādziena nukleosintēzi).Tā kā šis ūdeņradis un hēlijs sāka veidoties agrīnajā Visumā, dažās vietās tas bija blīvāks nekā citās. Gravitācija pārņēma, un galu galā šie atomi tika sapludināti milzīgos mākoņu gāzēs kosmosa plašumos. Tiklīdz šie mākoņi kļuva pietiekami lieli, tos savilca ar gravitācijas spēku ar pietiekamu spēku, lai faktiski atomu kodoli saplūstu procesā, ko sauc par kodolsintēze. Šī saplūšanas procesa rezultāts ir tāds, ka divi viena protona atomi tagad ir izveidojuši vienu divu protonu atomu. Citiem vārdiem sakot, divi ūdeņraža atomi ir sākuši vienu hēlija atomu. Šī procesa laikā izdalītā enerģija izraisa saules (vai jebkuras citas zvaigznes) apdegumus.
Lai sadedzinātu ūdeņradi, ir nepieciešami gandrīz 10 miljoni gadu, pēc tam viss sakarst un hēlijs sāk saplūst. Zvaigžņu nukleosintēze turpina radīt smagākus un smagākus elementus, līdz jūs nonākat ar dzelzi.
Smagāku elementu izveidošana
Hēlija sadedzināšana, lai iegūtu smagākus elementus, pēc tam turpinās apmēram 1 miljonu gadu. Lielākoties tas tiek sapludināts ogleklī, izmantojot trīskāršās alfa procesu, kurā tiek pārveidoti trīs hēlija-4 kodoli (alfa daļiņas). Pēc tam alfa process apvieno hēliju ar oglekli, lai iegūtu smagākus elementus, bet tikai tos, kuriem ir vienmērīgs protonu skaits. Kombinācijas notiek šādā secībā:
- Ogleklis plus hēlijs rada skābekli.
- Skābeklis plus hēlijs rada neonu.
- Neon plus hēlijs ražo magniju.
- Magnijs plus hēlijs ražo silīciju.
- Silīcijs un hēlijs ražo sēru.
- Sērs un hēlijs rada argonu.
- Argons plus hēlijs ražo kalciju.
- Kalcijs plus hēlijs rada titānu.
- Titāns plus hēlijs ražo hromu.
- Hroms plus hēlijs ražo dzelzi.
Citi saplūšanas ceļi rada elementus ar nepāra protonu skaitu. Dzelzs kodols ir tik cieši saistīts, ka pēc šī punkta sasniegšanas tā vairs netiek sakausēta. Bez saplūšanas karstuma zvaigzne sabrūk un eksplodē triecienviļņā.
Fiziķis Lawrence Krauss norāda, ka oglekļa sadedzināšanai skābeklī ir nepieciešami 100 000 gadu, bet 10 000 gadu laikā skābeklis, kas sadedzina silīciju, un vienu dienu silīcijs, kas sadedzina dzelzi, un pasludina par sabrukumu zvaigzne.
Astronoms Karls Sagans seriālā "Cosmos" atzīmēja: "Mēs esam veidoti no zvaigznēm." Krauss piekrita, norādot, ka "katrs jūsu ķermeņa atoms kādreiz atradās zvaigznītes iekšpusē, kas eksplodēja... Atomi jūsu kreisajā rokā, iespējams, nāca no citas zvaigznes nekā labajā rokā, jo 200 miljoni zvaigžņu ir eksplodējuši, veidojot atomus jūsu ķermenī. "