За ядрения синтез в звездите

Ядреният синтез е жизнената сила на звездите и важен процес за разбиране на това как работи Вселената. Процесът е това, което захранва нашето собствено Слънце и следователно е основният източник на цялата енергия на Земята. Например, нашата храна се основава на ядене на растения или ядене на неща, които ядат растения, а растенията използват слънчева светлина, за да правят храна. Освен това на практика всичко в телата ни е направено от елементи, които не биха съществували без ядрен синтез.

Fusion е етап, който се случва по време на формирането на звезди. Това започва в гравитационния колапс на гигантски молекулярен облак. Тези облаци могат да обхващат няколко десетки кубични светлинни години пространство и да съдържат огромни количества материя. Тъй като гравитацията срива облака, той се разпада на по-малки парчета, всяка центрирана около концентрация на материя. Тъй като тези концентрации се увеличават в масата, съответната гравитация и по този начин целият процес се ускорява, като самият колапс създава топлинна енергия. В крайна сметка тези парчета се кондензират под топлината и налягането в газообразни сфери, наречени протозвезди. Ако протозвездата не концентрира достатъчно маса, тя никога не постига налягането и топлината, необходими за ядрен синтез, и се превръща в кафяво джудже. Енергията, издигаща се от синтеза, протичащ в центъра, постига състояние на равновесие с тежестта на материята на звездата, предотвратявайки по-нататъшното колапсиране дори в супермасивни звезди.

Повечето от това, което изгражда звезда, е водороден газ, заедно с малко хелий и смес от микроелементи. Огромното налягане и топлина в ядрото на Слънцето е достатъчно, за да предизвика водороден синтез. Водородният синтез натрупва два водородни атома заедно, което води до създаването на един хелиев атом, свободни неутрони и много енергия. Това е процесът, който създава цялата енергия, освободена от Слънцето, включително цялата топлина, видимата светлина и UV лъчите, които в крайна сметка достигат до Земята. Водородът не е единственият елемент, който може да се слее по този начин, но по-тежките елементи изискват последователно по-големи количества налягане и топлина.

В крайна сметка звездите започват да изчерпват водорода, който осигурява основното и най-ефективно гориво за ядрен синтез. Когато това се случи, нарастващата енергия, която поддържаше равновесието, предотвратяваше по-нататъшната кондензация на звездните пръски навън, причинявайки нов етап на звезден колапс. Когато колапсът окаже достатъчен, по-голям натиск върху сърцевината, е възможен нов кръг на сливане, този път изгарящ по-тежкия елемент на хелия. Звездите с маса, по-малка от половината от нашето собствено Слънце, нямат достатъчно средства за сливане на хелий и стават червени джуджета.

Когато една звезда започне да топи хелий в ядрото, енергийната мощност се увеличава над тази на водорода. Този по-голям изход изтласква външните слоеве на звездата навън, увеличавайки нейния размер. По ирония на съдбата тези външни слоеве вече са достатъчно далеч от мястото, където се извършва синтезът, за да се охладят малко, превръщайки ги от жълто в червено. Тези звезди се превръщат в червени гиганти. Сливането на хелий е относително нестабилно и колебанията в температурата могат да причинят пулсации. Той създава въглерод и кислород като странични продукти. Тези пулсации имат потенциал да взривят външните слоеве на звездата при експлозия на нова. Нова от своя страна може да създаде планетарна мъглявина. Останалото звездно ядро ​​постепенно ще се охлади и ще образува бяло джудже. Това е вероятният край за нашето собствено Слънце.

По-големите звезди имат по-голяма маса, което означава, че когато хелият се изчерпи, те могат да имат нова кръг на колапс и създават натиск за започване на нов кръг на синтез, създавайки още по-тежки елементи. Това потенциално може да продължи, докато се достигне желязо. Желязото е елементът, който разделя елементи, които могат да произвеждат енергия при синтез от тези, които абсорбират енергия при синтез: желязото абсорбира малко енергия в своето създаване. Сега синтезът източва, вместо да създава енергия, въпреки че процесът е неравномерен (синтезът на желязо няма да се случва универсално в сърцевината). Същата нестабилност на синтеза при свръхмасивни звезди може да ги накара да изхвърлят външните си черупки по начин, подобен на обикновените звезди, като резултатът се нарича свръхнова.

Важно съображение в звездната механика е, че цялата материя във Вселената, по-тежка от водорода, е резултат от ядрен синтез. Наистина тежки елементи, като злато, олово или уран, могат да бъдат създадени само чрез експлозии на свръхнова. Следователно всички вещества, които познаваме на Земята, са съединения, изградени от отломките на някоя минала звездна гибел.