Tuumasünteesist tähtedes

Tuumasüntees on tähtede vereringe ja oluline protsess universumi toimimise mõistmisel. Protsess on see, mis toidab meie enda Päikest ja on seetõttu kogu Maa energia allikas. Näiteks põhineb meie toit taimede söömisel või taimi söövate asjade söömisel ja taimed kasutavad toidu valmistamiseks päikesevalgust. Lisaks on praktiliselt kõik meie kehas valmistatud elementidest, mida ei eksisteeriks ilma tuumasünteesita.

Sulandumine on staadi moodustumise ajal toimuv staadium. See algab hiiglasliku molekulaarpilve gravitatsioonilisest kokkuvarisemisest. Need pilved võivad ulatuda mitukümmend kuupmeelset valgusaastat ruumi ja sisaldavad tohutul hulgal ainet. Kui gravitatsioon variseb pilve kokku, laguneb see väiksemateks tükkideks, millest igaüks on koondunud aine kontsentratsiooni ümber. Nende kontsentratsioonide massi suurenemisel kiireneb vastav gravitatsioon ja seeläbi kogu protsess, mille kokkuvarisemine ise tekitab soojusenergiat. Lõpuks kondenseeruvad need tükid kuumuse ja rõhu all gaasilisteks keradeks, mida nimetatakse protostaarideks. Kui protostaar ei kontsentreeri piisavalt massi, ei saavuta see kunagi tuumasünteesiks vajalikku rõhku ja soojust ning temast saab pruun kääbus. Keskuses toimuval sulandumisel tõusev energia saavutab tasakaalu seisundi tähe aine kaaluga, hoides ära edasise varisemise ka ülimassiivsete tähtede korral.

Enamiku tähest moodustab gaasiline vesinik koos mõne heeliumi ja mikroelementide seguga. Päikese tuuma tohutu rõhk ja kuumus on vesiniku sulandumise põhjustamiseks piisavad. Vesiniku sulandamisel surutakse kokku kaks vesiniku aatomit, mille tulemusel luuakse üks heeliumi aatom, vabad neutronid ja palju energiat. See on protsess, mis loob kogu Päikese poolt eraldatud energia, kaasa arvatud kogu soojus, nähtav valgus ja UV-kiired, mis lõpuks Maale jõuavad. Vesinik pole ainus element, mida saab selliselt sulatada, kuid raskemad elemendid nõuavad järjest suuremat survet ja soojust.

Lõpuks hakkab tähtedel otsa saama vesinik, mis annab põhilise ja tõhusaima tuumasünteesi kütuse. Kui see juhtub, takistas tasakaalu hoidev kasvav energia tähe edasist kondenseerumist, põhjustades uue tähe kokkuvarisemise etapi. Kui varing avaldab südamikule piisavat suuremat survet, on võimalik uus sulandumisvoor, mis seekord põletab heeliumi raskema elemendi. Tähtedel, mille mass on vähem kui pool meie enda Päikesest, puudub heeliumi sulandamiseks vajalik abinõu ja nad muutuvad punasteks kääbusteks.

Kui täht hakkab südamikus heeliumi sulama, suureneb energiatoodang vesiniku omaga võrreldes. See suurem väljund surub tähe välimised kihid veelgi välja, suurendades selle suurust. Irooniline, et need välimised kihid on nüüd piisavalt kaugel, kus termotuumasüntees toimub, et veidi jahtuda, muutes need kollasest punaseks. Nendest tähtedest saavad punased hiiglased. Heeliumi sulandumine on suhteliselt ebastabiilne ja temperatuuri kõikumine võib põhjustada pulseerumisi. Kõrvalproduktidena tekib süsinik ja hapnik. Need pulseerimised võivad nova plahvatuse korral õhku lasta tähe väliskihtidest. Nova võib omakorda luua planeedi udukogu. Ülejäänud tähesüdamik jahtub järk-järgult ja moodustab valge kääbuse. See on meie enda Päikese tõenäoline lõpp.

Suurematel tähtedel on rohkem massi, mis tähendab, et kui heelium on kurnatud, võib neil olla uus kokkuvarisemise vooru ja tekitada survet uue termotuumasünteesi alustamiseks, luues veel raskema elemendid. See võib potentsiaalselt jätkuda, kuni raud on saavutatud. Raud on element, mis jagab sulandumisel energiat tootvaid elemente sulanduvat energiat neelavatest: raud neelab selle loomisel vähe energiat. Nüüd on termotuumasüntees tühjendav, mitte energiat loov, ehkki protsess on ebaühtlane (rauasulamine ei toimu tuumas universaalselt). Sama sulandumise ebastabiilsus ülimassiivsete tähtede korral võib põhjustada nende väliskestade väljutamise sarnaselt tavalistele tähtedele, mille tulemust nimetatakse supernoovaks.

Tähemehaanikas on oluline kaaluda seda, et kogu universumis vesinikust raskem aine on tuumasünteesi tulemus. Tõeliselt raskeid elemente, nagu kuld, plii või uraan, saab luua ainult supernoova plahvatuste abil. Seetõttu on kõik ained, mis meile Maal tuttavad, ühendid, mis on ehitatud mõne varasema tähe hävimise prahist.