Über Kernfusion in Sternen

Kernfusion ist das Lebenselixier von Sternen und ein wichtiger Prozess zum Verständnis der Funktionsweise des Universums. Dieser Prozess treibt unsere eigene Sonne an und ist daher die Wurzelquelle aller Energie auf der Erde. Zum Beispiel basiert unsere Nahrung darauf, Pflanzen zu essen oder Dinge zu essen, die Pflanzen essen, und Pflanzen verwenden Sonnenlicht, um Nahrung herzustellen. Darüber hinaus besteht praktisch alles in unserem Körper aus Elementen, die ohne Kernfusion nicht existieren würden.

Fusion ist eine Phase, die während der Sternentstehung stattfindet. Dies beginnt mit dem gravitativen Kollaps einer riesigen Molekülwolke. Diese Wolken können einen Raum von mehreren Dutzend Kubiklichtjahren umfassen und enthalten riesige Mengen an Materie. Wenn die Schwerkraft die Wolke kollabiert, zerfällt sie in kleinere Stücke, von denen jedes um eine Konzentration von Materie zentriert ist. Wenn diese Konzentrationen an Masse zunehmen, beschleunigt sich die entsprechende Gravitation und damit der gesamte Prozess, wobei der Kollaps selbst Wärmeenergie erzeugt. Schließlich kondensieren diese Stücke unter der Hitze und dem Druck zu gasförmigen Kugeln, die Protosterne genannt werden. Konzentriert ein Protostern nicht genügend Masse, erreicht er nie den für die Kernfusion notwendigen Druck und die erforderliche Hitze und wird zum Braunen Zwerg. Die aus der im Zentrum stattfindenden Fusion aufsteigende Energie erreicht einen Gleichgewichtszustand mit dem Gewicht der Sternmaterie, der auch bei supermassereichen Sternen einen weiteren Kollaps verhindert.

Das meiste, was einen Stern ausmacht, ist Wasserstoffgas, zusammen mit etwas Helium und einer Mischung von Spurenelementen. Der enorme Druck und die Hitze im Kern der Sonne reichen aus, um eine Wasserstofffusion zu bewirken. Bei der Wasserstofffusion werden zwei Wasserstoffatome zusammengepresst, wodurch ein Heliumatom, freie Neutronen und viel Energie entstehen. Dies ist der Prozess, der die gesamte von der Sonne freigesetzte Energie erzeugt, einschließlich der gesamten Wärme, des sichtbaren Lichts und der UV-Strahlen, die schließlich die Erde erreichen. Wasserstoff ist nicht das einzige Element, das auf diese Weise fusioniert werden kann, aber schwerere Elemente benötigen sukzessive mehr Druck und Wärme.

Schließlich geht den Sternen der Wasserstoff aus, der den grundlegenden und effizientesten Brennstoff für die Kernfusion liefert. In diesem Fall verhinderte die steigende Energie, die das Gleichgewicht aufrechterhielt, eine weitere Kondensation der Sternsputter, was zu einem neuen Stadium des Sternkollapses führte. Wenn der Kollaps ausreichenden, größeren Druck auf den Kern ausübt, ist eine neue Fusionsrunde möglich, die diesmal das schwerere Element Helium verbrennt. Sternen mit einer Masse von weniger als der Hälfte unserer eigenen Sonne fehlen die Mittel, um Helium zu fusionieren und werden zu roten Zwergen.

Wenn ein Stern beginnt, Helium im Kern zu verschmelzen, steigt die Energieabgabe über die von Wasserstoff. Diese größere Leistung drückt die äußeren Schichten des Sterns weiter nach außen und erhöht seine Größe. Ironischerweise sind diese äußeren Schichten jetzt weit genug von der Stelle entfernt, an der die Fusion stattfindet, um sich etwas abzukühlen und sie von gelb nach rot zu färben. Diese Sterne werden zu roten Riesen. Die Heliumfusion ist relativ instabil und Temperaturschwankungen können Pulsationen verursachen. Als Nebenprodukte entstehen Kohlenstoff und Sauerstoff. Diese Pulsationen haben das Potenzial, die äußeren Schichten des Sterns in einer Nova-Explosion abzublasen. Eine Nova kann wiederum einen planetarischen Nebel erzeugen. Der verbleibende Sternkern wird allmählich abkühlen und einen Weißen Zwerg bilden. Dies ist das wahrscheinliche Ende unserer eigenen Sonne.

Größere Sterne haben mehr Masse, was bedeutet, dass sie, wenn das Helium aufgebraucht ist, eine neue haben können Kollapsrunde und erzeugen den Druck, eine neue Fusionsrunde zu starten, wodurch noch schwerere Elemente. Dies kann möglicherweise so lange dauern, bis Eisen erreicht ist. Eisen ist das Element, das die Elemente, die bei der Fusion Energie erzeugen können, von denen trennt, die bei der Fusion Energie absorbieren: Eisen nimmt bei seiner Entstehung ein wenig Energie auf. Jetzt entzieht die Fusion Energie, anstatt Energie zu erzeugen, obwohl der Prozess ungleichmäßig ist (die Eisenfusion wird im Kern nicht überall stattfinden). Dieselbe Fusionsinstabilität in supermassiven Sternen kann dazu führen, dass sie ihre äußere Hülle ähnlich wie normale Sterne ausstoßen, was als Supernova bezeichnet wird.

Eine wichtige Überlegung in der stellaren Mechanik ist, dass alle Materie im Universum, die schwerer als Wasserstoff ist, das Ergebnis der Kernfusion ist. Wirklich schwere Elemente wie Gold, Blei oder Uran können nur durch Supernova-Explosionen erzeugt werden. Daher sind alle Substanzen, mit denen wir auf der Erde vertraut sind, Verbindungen, die aus den Trümmern eines vergangenen Sternenuntergangs gebaut wurden.