О ядерном синтезе в звездах

Ядерный синтез - это жизненная сила звезд и важный процесс в понимании того, как устроена Вселенная. Этот процесс питает наше собственное Солнце и, следовательно, является корневым источником всей энергии на Земле. Например, наша пища основана на поедании растений или употреблении в пищу продуктов, поедающих растения, а растения используют солнечный свет для приготовления пищи. Кроме того, практически все в наших телах состоит из элементов, которые не существовали бы без ядерного синтеза.

Слияние - это этап, который происходит во время звездообразования. Это начинается в результате гравитационного коллапса гигантского молекулярного облака. Эти облака могут охватывать несколько десятков кубических световых лет пространства и содержать огромное количество вещества. Когда гравитация сжимает облако, оно распадается на более мелкие части, каждая из которых сосредоточена вокруг концентрации вещества. По мере увеличения массы этих концентраций соответствующая гравитация и, следовательно, весь процесс ускоряются, а сам коллапс создает тепловую энергию. В конце концов, эти частицы конденсируются под действием тепла и давления в газовые сферы, называемые протозвездами. Если протозвезда не концентрирует достаточно массы, она никогда не достигает давления и тепла, необходимых для ядерного синтеза, и становится коричневым карликом. Энергия, поднимающаяся от слияния, происходящего в центре, достигает состояния равновесия с весом вещества звезды, предотвращая дальнейший коллапс даже в сверхмассивных звездах.

Большую часть того, что составляет звезду, составляет газообразный водород, а также некоторое количество гелия и смесь микроэлементов. Огромного давления и тепла в ядре Солнца достаточно, чтобы вызвать синтез водорода. Синтез водорода объединяет два атома водорода вместе, что приводит к образованию одного атома гелия, свободных нейтронов и большого количества энергии. Это процесс, который создает всю энергию, выделяемую Солнцем, включая все тепло, видимый свет и ультрафиолетовые лучи, которые в конечном итоге достигают Земли. Водород - не единственный элемент, который можно плавить таким образом, но более тяжелые элементы требуют последовательно большего количества давления и тепла.

В конце концов у звезд начинает кончаться водород, который является основным и наиболее эффективным топливом для ядерного синтеза. Когда это происходит, возрастающая энергия, которая поддерживала равновесие, предотвращала дальнейшую конденсацию звездных брызг, вызывая новую стадию звездного коллапса. Когда коллапс оказывает достаточно сильное давление на ядро, возможен новый цикл термоядерного синтеза, на этот раз сжигающий более тяжелый элемент гелий. Звезды с массой менее половины нашего Солнца не имеют средств для плавления гелия и становятся красными карликами.

Когда звезда начинает синтезировать гелий в ядре, выход энергии увеличивается по сравнению с водородом. Этот больший выход выталкивает наружные слои звезды дальше, увеличивая ее размер. По иронии судьбы, эти внешние слои теперь достаточно далеко от места слияния, чтобы немного остыть, превращая их с желтого в красный. Эти звезды становятся красными гигантами. Синтез гелия относительно нестабилен, и колебания температуры могут вызывать пульсации. Он создает углерод и кислород в качестве побочных продуктов. У этих пульсаций есть потенциал, чтобы взорвать внешние слои звезды во время взрыва новой звезды. Новая звезда, в свою очередь, может создать планетарную туманность. Оставшееся звездное ядро ​​постепенно остынет и сформирует белый карлик. Это вероятный конец нашего собственного Солнца.

Звезды большего размера имеют большую массу, а это означает, что когда гелий исчерпывается, у них может появиться новый раунда схлопывания и создайте давление, чтобы начать новый раунд слияния, создавая еще более тяжелые элементы. Это потенциально может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто железо. Железо - это элемент, который разделяет элементы, которые могут производить энергию при плавлении, от элементов, поглощающих энергию при плавлении: железо поглощает немного энергии при своем создании. Теперь термоядерный синтез истощает, а не создает энергию, хотя процесс идет неравномерно (синтез железа не будет происходить повсеместно в ядре). Та же самая нестабильность термоядерного синтеза в сверхмассивных звездах может привести к тому, что они выбросят свои внешние оболочки так же, как у обычных звезд, в результате чего получится сверхновая.

Важное соображение в звездной механике состоит в том, что вся материя во Вселенной тяжелее водорода является результатом ядерного синтеза. По-настоящему тяжелые элементы, такие как золото, свинец или уран, могут быть созданы только при взрывах сверхновых. Следовательно, все вещества, с которыми мы знакомы на Земле, представляют собой соединения, построенные из обломков какой-то прошлой гибели звезд.