O nuklearnoj fuziji u zvijezdama

Nuklearna fuzija žila je zvijezda i važan je proces u razumijevanju načina funkcioniranja svemira. Proces je ono što pokreće naše vlastito Sunce, pa je stoga izvor svih energija na Zemlji. Na primjer, naša se hrana temelji na jedenju biljaka ili jedu stvari koje jedu biljke, a biljke koriste sunčevu svjetlost za proizvodnju hrane. Nadalje, gotovo sve u našim tijelima napravljeno je od elemenata koji ne bi postojali bez nuklearne fuzije.

Fuzija je faza koja se događa tijekom stvaranja zvijezda. To započinje gravitacijskim kolapsom divovskog molekularnog oblaka. Ovi oblaci mogu se prostirati na nekoliko desetaka kubnih svjetlosnih godina svemira i sadržavati ogromne količine materije. Kako gravitacija ruši oblak, on se raspada na manje dijelove, svaki usredotočen oko koncentracije materije. Kako se ove koncentracije povećavaju u masi, odgovarajuća gravitacija, a time i čitav proces, ubrzava se, a sam kolaps stvara toplinsku energiju. Na kraju se ti dijelovi kondenziraju pod toplinom i pritiskom u plinovite kugle zvane protozvijezde. Ako protozvijezda ne koncentrira dovoljno mase, nikada neće postići tlak i toplinu nužne za nuklearnu fuziju, te postaje smeđi patuljak. Energija koja raste iz fuzije koja se odvija u središtu postiže stanje ravnoteže s težinom maće zvijezde, sprječavajući daljnji kolaps čak i u supermasivnim zvijezdama.

Većina onoga što čini zvijezdu je plinoviti vodik, zajedno s malo helija i mješavinom elemenata u tragovima. Ogroman pritisak i toplina u Sunčevoj jezgri dovoljni su da izazovu fuziju vodika. Fuzija vodika skupa dva atoma vodika, što rezultira stvaranjem jednog atoma helija, slobodnih neutrona i velike količine energije. To je proces koji stvara svu energiju koju oslobađa Sunce, uključujući svu toplinu, vidljivu svjetlost i UV zrake koje na kraju dođu do Zemlje. Vodik nije jedini element koji se može stopiti na ovaj način, ali teži elementi zahtijevaju uzastopno veće količine tlaka i topline.

Na kraju zvijezde počinju ostati bez vodika koji pruža osnovno i najučinkovitije gorivo za nuklearnu fuziju. Kad se to dogodi, energija u usponu koja je održavala ravnotežu sprečavala je daljnju kondenzaciju ispljutaka zvijezda, što je uzrokovalo novi stupanj zvjezdanog kolapsa. Kada kolaps izvrši dovoljan, veći pritisak na jezgru, moguća je nova runda fuzije, koja ovaj put sagorijeva teži element helija. Zvijezde mase manje od polovice našeg vlastitog Sunca nemaju mogućnost spajanja helija i postaju crveni patuljci.

Kada zvijezda počne stapati helij u jezgri, energija se povećava u odnosu na onu vodika. Ovaj veći izlaz potiskuje vanjske slojeve zvijezde dalje, povećavajući njezinu veličinu. Ironično je da su ovi vanjski slojevi sada dovoljno daleko od mjesta na kojem se odvija fuzija da se malo ohlade, pretvarajući ih iz žute u crvenu. Te zvijezde postaju crveni divovi. Fuzija helija relativno je nestabilna, a kolebanja temperature mogu uzrokovati pulsiranje. Stvara ugljik i kisik kao nusprodukte. Te pulsacije mogu otpuhati vanjske slojeve zvijezde u eksploziji nove. Nova pak može stvoriti planetarnu maglicu. Preostala zvjezdana jezgra postupno će se ohladiti i stvoriti bijeli patuljak. Ovo je vjerojatni kraj za naše vlastito Sunce.

Veće zvijezde imaju veću masu, što znači da kad se helij iscrpi, mogu dobiti novu krug kolapsa i stvoriti pritisak da započne novi krug fuzije, stvarajući još teže elementi. To se može nastaviti dok se ne postigne željezo. Željezo je element koji dijeli elemente koji mogu proizvesti energiju u fuziji od onih koji apsorbiraju energiju u fuziji: željezo upija malo energije u svom stvaranju. Sada se fuzija iscrpljuje, umjesto da stvara energiju, iako je postupak nejednak (fuzija željeza neće se univerzalno odvijati u jezgri). Ista fuzijska nestabilnost u supermasivnim zvijezdama može ih natjerati da izbace svoje vanjske ljuske na način sličan pravilnim zvijezdama, a rezultat se naziva supernova.

Važno razmatranje zvjezdane mehanike je da je sva tvar u svemiru teža od vodika rezultat nuklearne fuzije. Doista teški elementi, poput zlata, olova ili urana, mogu se stvoriti samo eksplozijama supernove. Stoga su sve supstance koje su nam poznate na Zemlji spojevi izgrađeni iz krhotina neke prošle zvjezdane smrti.