Over kernfusie in sterren

Kernfusie is de levensader van sterren en een belangrijk proces om te begrijpen hoe het universum werkt. Het proces is wat onze eigen zon aandrijft, en daarom is het de wortelbron van alle energie op aarde. Ons voedsel is bijvoorbeeld gebaseerd op het eten van planten of het eten van dingen die planten eten, en planten gebruiken zonlicht om voedsel te maken. Bovendien is vrijwel alles in ons lichaam gemaakt van elementen die zonder kernfusie niet zouden bestaan.

Fusie is een fase die plaatsvindt tijdens stervorming. Dit begint in de zwaartekracht ineenstorting van een gigantische moleculaire wolk. Deze wolken kunnen enkele tientallen kubieke lichtjaren in de ruimte omspannen en grote hoeveelheden materie bevatten. Terwijl de zwaartekracht de wolk instort, valt deze uiteen in kleinere stukjes, elk gecentreerd rond een concentratie van materie. Naarmate deze concentraties in massa toenemen, versnelt de bijbehorende zwaartekracht en daarmee het hele proces, waarbij de ineenstorting zelf warmte-energie creëert. Uiteindelijk condenseren deze stukjes onder de hitte en druk tot gasvormige bollen die protosterren worden genoemd. Als een protoster niet genoeg massa concentreert, bereikt hij nooit de druk en warmte die nodig zijn voor kernfusie en wordt hij een bruine dwerg. De energie die opstijgt uit de fusie die in het centrum plaatsvindt, bereikt een evenwichtstoestand met het gewicht van de materie van de ster, waardoor verdere ineenstorting wordt voorkomen, zelfs bij superzware sterren.

Het grootste deel van wat een ster vormt, is waterstofgas, samen met wat helium en een mengsel van sporenelementen. De enorme druk en hitte in de kern van de zon is voldoende om waterstoffusie te veroorzaken. Waterstoffusie propt twee waterstofatomen samen, wat resulteert in het ontstaan ​​van één heliumatoom, vrije neutronen en veel energie. Dit is het proces dat alle energie creëert die door de zon vrijkomt, inclusief alle warmte, zichtbaar licht en UV-stralen die uiteindelijk de aarde bereiken. Waterstof is niet het enige element dat op deze manier kan worden gefuseerd, maar zwaardere elementen vereisen achtereenvolgens grotere hoeveelheden druk en warmte.

Uiteindelijk beginnen sterren door de waterstof heen te raken die de basis en meest efficiënte brandstof voor kernfusie levert. Wanneer dit gebeurt, verhinderde de stijgende energie die het evenwicht in stand hield, verdere condensatie van de ster die uitsputtert, wat een nieuw stadium van stellaire ineenstorting veroorzaakte. Wanneer de ineenstorting voldoende, grotere druk op de kern uitoefent, is een nieuwe fusieronde mogelijk, deze keer het zwaardere element helium verbrandt. Sterren met een massa van minder dan de helft van onze eigen zon hebben niet de middelen om helium samen te smelten en rode dwergen te worden.

Wanneer een ster helium in de kern begint te smelten, neemt de energie-output toe ten opzichte van die van waterstof. Deze grotere output duwt de buitenste lagen van de ster verder naar buiten, waardoor deze groter wordt. Ironisch genoeg zijn deze buitenste lagen nu ver genoeg verwijderd van waar de fusie plaatsvindt om een ​​beetje af te koelen, waardoor ze van geel naar rood veranderen. Deze sterren worden rode reuzen. Heliumfusie is relatief onstabiel en temperatuurschommelingen kunnen pulsaties veroorzaken. Het creëert koolstof en zuurstof als bijproducten. Deze pulsaties hebben het potentieel om de buitenste lagen van de ster af te blazen bij een nova-explosie. Een nova kan op zijn beurt een planetaire nevel creëren. De resterende stellaire kern zal geleidelijk afkoelen en een witte dwerg vormen. Dit is het waarschijnlijke einde voor onze eigen zon.

Grotere sterren hebben meer massa, wat betekent dat wanneer het helium is uitgeput, ze een nieuwe instortingsronde en de druk produceren om een ​​nieuwe fusieronde te beginnen, waardoor nog zwaarder wordt elementen. Dit kan mogelijk doorgaan totdat ijzer is bereikt. IJzer is het element dat de elementen verdeelt die energie kunnen produceren bij fusie van die elementen die energie absorberen bij fusie: ijzer absorbeert een beetje energie bij het maken ervan. Nu is fusie aan het uitputten, in plaats van energie te creëren, hoewel het proces ongelijkmatig is (ijzerfusie zal niet overal in de kern plaatsvinden). Dezelfde fusie-instabiliteit in superzware sterren kan ertoe leiden dat ze hun buitenste schil uitwerpen op een manier die vergelijkbaar is met gewone sterren, met als resultaat dat ze een supernova worden genoemd.

Een belangrijke overweging in de stellaire mechanica is dat alle materie in het heelal die zwaarder is dan waterstof het resultaat is van kernfusie. Echt zware elementen, zoals goud, lood of uranium, kunnen alleen worden gecreëerd door supernova-explosies. Daarom zijn alle stoffen waarmee we op aarde bekend zijn verbindingen die zijn opgebouwd uit het puin van een sterfgeval in het verleden.