Ydinfuusio on tähtien elinehto ja tärkeä prosessi maailmankaikkeuden toiminnan ymmärtämisessä. Prosessi valtaa omaa aurinkoamme ja on siksi kaiken maapallon energian lähde. Esimerkiksi ruokamme perustuu kasvien syömiseen tai kasvien syömiseen, ja kasvit käyttävät auringonvaloa ruoan valmistamiseen. Lisäksi käytännössä kaikki ruumiissamme on valmistettu elementeistä, joita ei olisi olemassa ilman ydinfuusiota.
Kuinka fuusio alkaa?
Fuusio on vaihe, joka tapahtuu tähtien muodostumisen aikana. Tämä alkaa jättimäisen molekyylipilven gravitaatioromahduksessa. Nämä pilvet voivat ulottua useita kymmeniä kuutiometriä valovuotta avaruuteen ja sisältää valtavan määrän ainetta. Kun painovoima romahtaa pilven, se hajoaa pienemmiksi paloiksi, joista jokainen keskittyy aineen pitoisuuden ympärille. Kun nämä pitoisuudet kasvavat massaa, vastaava painovoima ja siten koko prosessi kiihtyy, kun romahdus itsessään luo lämpöenergiaa. Lopulta nämä kappaleet tiivistyvät lämmön ja paineen alla kaasumaisiksi palloiksi, joita kutsutaan protostaareiksi. Jos prototähti ei keskitä tarpeeksi massaa, se ei koskaan saavuta ydinfuusioon tarvittavaa painetta ja lämpöä ja siitä tulee ruskea kääpiö. Keskuksessa tapahtuvasta fuusiosta nouseva energia saavuttaa tasapainotilan tähden aineen painon kanssa, mikä estää edelleen romahtamisen jopa supermassivissa tähdissä.
Tähtien fuusio
Suurin osa tähdestä on vetykaasua, yhdessä jonkin verran heliumia ja hivenaineiden seosta. Auringon ytimessä oleva valtava paine ja lämpö ovat riittäviä aiheuttamaan vetyfuusion. Vetyfuusio murskaa kaksi vetyatomia yhteen, jolloin syntyy yksi heliumiatomi, vapaat neutronit ja paljon energiaa. Tämä on prosessi, joka luo kaiken auringon vapauttaman energian, mukaan lukien kaikki lämpö, näkyvä valo ja UV-säteet, jotka lopulta saavuttavat Maan. Vety ei ole ainoa elementti, joka voidaan sulattaa tällä tavalla, mutta raskaammat elementit vaativat peräkkäin suurempia määriä painetta ja lämpöä.
Vety loppuu
Lopulta tähdistä alkaa loppua vety, joka tarjoaa ydinfuusion perus- ja tehokkaimman polttoaineen. Kun näin tapahtuu, tasapainoa ylläpitävä nouseva energia estää tähtiä tiivistyvän edelleen, mikä aiheuttaa uuden tähtien romahtamisen. Kun romahdus aiheuttaa riittävän, suuremman paineen ytimeen, uusi fuusiokierros on mahdollinen, tällä kertaa polttamalla heliumin painavamman osan. Tähdillä, joiden massa on alle puolet omasta Auringostamme, ei ole tarvetta sulattaa heliumia ja niistä tulee punaisia kääpiöitä.
Jatkuva fuusio: Keskikokoiset tähdet
Kun tähti alkaa fuusioida heliumia ytimessä, energiantuotto kasvaa vedyn energian yli. Tämä suurempi ulostulo työntää tähden ulkokerrokset edelleen ulos ja lisää sen kokoa. Ironista kyllä, nämä ulkokerrokset ovat nyt riittävän kaukana fuusion tapahtumispaikasta jäähtyäkseen hieman muuttamalla ne keltaisesta punaiseksi. Näistä tähdistä tulee punaisia jättiläisiä. Heliumfuusio on suhteellisen epävakaa, ja lämpötilan vaihtelut voivat aiheuttaa pulsseja. Se luo hiiltä ja happea sivutuotteina. Näillä sykkeillä on mahdollisuus puhaltaa tähti ulkokerroksiin nova-räjähdyksessä. Nova voi puolestaan luoda planeettasumun. Jäljellä oleva tähtiydin jäähtyy vähitellen ja muodostaa valkoisen kääpiön. Tämä on todennäköinen loppu omalle auringollemme.
Jatkuva fuusio: Suuret tähdet
Suuremmilla tähdillä on enemmän massaa, mikä tarkoittaa, että kun helium on loppunut, heillä voi olla uusi romahdus ja tuottaa paineen aloittaa uusi fuusiokierros, mikä luo vielä painavamman elementtejä. Tämä voi mahdollisesti jatkua, kunnes rauta on saavutettu. Rauta on elementti, joka jakaa fuusiossa energiaa tuottavat alkuaineet fuusiossa energiaa absorboivista: rauta imee vähän energiaa luodessaan. Nyt fuusio tyhjenee energian luomisen sijasta, vaikka prosessi on epätasainen (raudan fuusio ei tapahdu ytimessä yleisesti). Sama fuusion epävakaus supermassiivisissa tähdissä voi saada heidät poistamaan ulkokuorensa samalla tavoin kuin tavalliset tähdet, jolloin tulosta kutsutaan supernovaksi.
Stardust
Tärkeä näkökohta tähtimekaniikassa on, että kaikki vetyä raskaampi aine universumissa on ydinfuusion tulos. Todella raskaita alkuaineita, kuten kultaa, lyijyä tai uraania, voidaan luoda vain supernovaräjähdyksillä. Siksi kaikki maapallollemme tutut aineet ovat yhdisteitä, jotka on rakennettu jonkin aikaisemman tähtien kuoleman roskista.