A nukleáris fúzióról a csillagokban

A magfúzió a csillagok életereje, és fontos folyamat az univerzum működésének megértésében. A folyamat az, ami a saját Napunkat táplálja, és ezért a Föld összes energiájának gyökérforrása. Például ételeink növények fogyasztásán vagy növényeket fogyasztó dolgok fogyasztásán alapulnak, a növények pedig napfényt használnak az étel elkészítéséhez. Továbbá testünkben gyakorlatilag minden olyan elemekből készül, amelyek nem léteznének magfúzió nélkül.

A fúzió a csillagképződés során bekövetkező szakasz. Ez egy óriási molekuláris felhő gravitációs összeomlásával kezdődik. Ezek a felhők több tucat köbös fényévnyi teret ölelhetnek fel, és hatalmas mennyiségű anyagot tartalmazhatnak. Amint a gravitáció összeomlik a felhőben, kisebb darabokra bomlik, amelyek mindegyike az anyag koncentrációja körül helyezkedik el. Amint ezek a koncentrációk növekednek a tömegben, a megfelelő gravitáció és ezáltal az egész folyamat felgyorsul, maga az összeomlás pedig hőenergiát hoz létre. Végül ezek a darabok hő és nyomás alatt kondenzátumokká kondenzálódnak, amelyeket protosztárnak neveznek. Ha egy protosztár nem koncentrál elég tömeget, soha nem éri el a magfúzióhoz szükséges nyomást és hőt, és barna törpévé válik. A középpontban végbemenő fúzióból származó energia egyensúlyi állapotot ér el a csillag anyagának súlyával, megakadályozva a további összeomlást még a szupermasszív csillagokban is.

A csillagok nagy része hidrogéngáz, néhány héliummal és nyomelemek keverékével együtt. A Nap magjában lévő hatalmas nyomás és hő elegendő ahhoz, hogy hidrogénfúziót okozzon. A hidrogénfúzióval két hidrogénatom összeomlik, ami egy héliumatomot, szabad neutronokat és sok energiát eredményez. Ez az a folyamat, amely létrehozza a Nap által felszabadított összes energiát, beleértve az összes hőt, látható fényt és UV-sugarakat, amelyek végül eljutnak a Földre. A hidrogén nem az egyetlen ilyen módon olvadó elem, de a nehezebb elemek egymás után nagyobb mennyiségű nyomást és hőt igényelnek.

Végül a csillagokban elfogy az a hidrogén, amely a magfúzió alapvető és leghatékonyabb üzemanyagát biztosítja. Amikor ez megtörténik, az egyensúlyt fenntartó növekvő energia megakadályozta a csillag további kondenzációját, ami a csillag összeomlásának új szakaszát okozta. Amikor az összeomlás elegendő, nagyobb nyomást gyakorol a magra, új fúziós kör lehetséges, ezúttal a hélium nehezebb elemét égeti el. A saját Napunk felénél kevesebb tömegű csillagokból hiányzik a hélium összeolvadásának lehetősége, és vörös törpékké válnak.

Amikor egy csillag elkezdi egyesíteni a héliumot a magban, az energiatermelés megnő a hidrogénénél. Ez a nagyobb teljesítmény a csillag külső rétegeit kifelé tolja, növelve a méretét. Ironikus módon ezek a külső rétegek már elég messze vannak attól a helytől, ahol a fúzió zajlik, hogy kissé lehűljenek, sárgáról vörösre váltva. Ezek a csillagok vörös óriásokká válnak. A héliumfúzió viszonylag instabil, és a hőmérséklet ingadozása pulzációt okozhat. Szént és oxigént hoz létre melléktermékként. Ezek a pulzációk egy nova robbanás során képesek leszerelni a csillag külső rétegeit. A nova viszont bolygó ködöt hozhat létre. A megmaradt csillagmag fokozatosan lehűl és fehér törpét képez. Ez valószínűleg a saját Napunk vége.

A nagyobb csillagok tömege nagyobb, ami azt jelenti, hogy ha a hélium kimerült, akkor újat kaphatnak összeomlása és megteremti a nyomást egy új fúziós kör elindítására, ami még nehezebb elemek. Ez addig folytatódhat, amíg a vasat el nem érik. A vas az az elem, amely elosztja azokat az elemeket, amelyek fúzióban energiát képesek előállítani, azoktól, amelyek fúzióban elnyelik az energiát: a vas létrehozásakor egy kis energiát vesz fel. Most a fúzió elvezet, nem pedig energiát teremt, bár a folyamat egyenetlen (a vasfúzió nem fog univerzálisan zajlani a magban). Ugyanez a fúziós instabilitás a szupermasszív csillagokban azt eredményezheti, hogy a normál csillagokhoz hasonló módon kilökik külső héjaikat, az eredményt szupernóvának hívják.

A csillagmechanikában fontos szempont, hogy az univerzumban a hidrogénnél nehezebb minden anyag magfúzió eredménye. Valóban nehéz elemek, például arany, ólom vagy urán csak szupernóva-robbanásokkal hozhatók létre. Ezért az összes olyan anyag, amelyet a Földön ismerünk, olyan vegyületek, amelyek valamilyen korábbi csillagok pusztulásának törmelékéből épültek fel.