O jadrovej fúzii vo hviezdach

Jadrová fúzia je krvou hviezd a dôležitým procesom pri porozumení fungovania vesmíru. Tento proces poháňa naše vlastné Slnko, a preto je koreňovým zdrojom všetkej energie na Zemi. Napríklad naše jedlo je založené na konzumácii rastlín alebo konzumácii rastlín, ktoré jedia rastliny, a rastliny na výrobu jedla používajú slnečné svetlo. Ďalej je prakticky všetko v našom tele vyrobené z prvkov, ktoré by neexistovali bez jadrovej fúzie.

Fúzia je štádium, ktoré sa deje počas formovania hviezd. Začína sa to gravitačným kolapsom obrovského molekulárneho mraku. Tieto oblaky môžu prekonať niekoľko desiatok kubických svetelných rokov vesmíru a obsahovať obrovské množstvo hmoty. Keď gravitácia zrúti mrak, rozpadne sa na menšie kúsky, z ktorých každá je sústredená okolo koncentrácie hmoty. Keď sa tieto koncentrácie zvýšia v hmote, príslušná gravitácia a tým aj celý proces sa urýchli, pričom samotný kolaps vytvorí tepelnú energiu. Nakoniec tieto kúsky pod teplom a tlakom kondenzujú do plynných gúľ nazývaných protohviezdy. Ak protohviezda nekoncentruje dostatok hmoty, nikdy nedosiahne potrebný tlak a teplo potrebné na jadrovú fúziu a stane sa hnedým trpaslíkom. Energia stúpajúca z fúzie prebiehajúcej v strede dosahuje rovnovážny stav s hmotnosťou hmoty hviezdy, čo bráni ďalšiemu kolapsu aj v supermasívnych hviezdach.

Väčšinu z toho, čo tvorí hviezdu, je plynný vodík spolu s trochou hélia a zmesou stopových prvkov. Obrovský tlak a teplo v jadre Slnka sú dostatočné na to, aby spôsobili fúziu vodíka. Fúziou vodíka sa spájajú dva atómy vodíka, výsledkom čoho je vytvorenie jedného atómu hélia, voľných neutrónov a veľkého množstva energie. Toto je proces, ktorý vytvára všetku energiu uvoľnenú Slnkom, vrátane všetkého tepla, viditeľného svetla a UV lúčov, ktoré sa nakoniec dostanú na Zem. Vodík nie je jediný prvok, ktorý sa dá takto kondenzovať, ale ťažšie prvky vyžadujú postupne väčšie množstvo tlaku a tepla.

Hviezdam nakoniec začne dochádzať vodík, ktorý poskytuje základné a najefektívnejšie palivo pre jadrovú fúziu. Keď sa to stane, rastúca energia, ktorá udržiavala rovnováhu, bránila ďalšej kondenzácii hviezd, ktorá vyprašuje a spôsobovala nový stupeň hviezdneho kolapsu. Keď kolaps vyvinie dostatočný, väčší tlak na jadro, je možné nové kolo fúzie, ktoré tentokrát spáli ťažší prvok hélia. Hviezdam s hmotnosťou menšou ako polovica nášho vlastného Slnka chýbajú prostriedky na to, aby spojili hélium a stali sa červenými trpaslíkmi.

Keď hviezda začne spájať hélium v ​​jadre, energetický výkon sa zvyšuje oproti vodíku. Tento väčší výkon posúva vonkajšie vrstvy hviezdy ďalej, čím sa zväčšuje jej veľkosť. Je ironické, že tieto vonkajšie vrstvy sú teraz dosť ďaleko od miesta, kde dochádza k fúzii, aby sa trochu ochladili a zmenili ich zo žltej na červenú. Z týchto hviezd sa stávajú červení obri. Fúzia hélia je pomerne nestabilná a kolísanie teploty môže spôsobiť pulzácie. Vytvára uhlík a kyslík ako vedľajšie produkty. Tieto pulzácie majú potenciál odfúknuť vonkajšie vrstvy hviezdy pri novej explózii. Nova môže zase vytvoriť planetárnu hmlovinu. Zvyšné hviezdne jadro sa postupne ochladí a vytvorí sa z neho biely trpaslík. Toto je pravdepodobný koniec pre naše vlastné Slnko.

Väčšie hviezdy majú viac hmoty, čo znamená, že keď je hélium vyčerpané, môžu mať nové kolapsu kolapsu a vytvorenia tlaku na začatie nového kola fúzie, ktorá bude ešte ťažšia prvkov. Potenciálne to môže pokračovať, kým sa nedosiahne železo. Železo je prvok, ktorý oddeľuje prvky, ktoré vo fúzii môžu produkovať energiu, od tých, ktoré energiu vo fúzii absorbujú: železo pri svojom vzniku absorbuje trochu energie. Teraz fúzia skôr odčerpáva, ako vytvára energiu, hoci proces je nerovnomerný (fúzia železa nebude v jadre prebiehať všeobecne). Rovnaká nestabilita fúzie v supermasívnych hviezdach môže spôsobiť, že budú vyhadzovať svoje vonkajšie obaly podobným spôsobom ako bežné hviezdy, výsledkom bude tzv. Supernova.

Dôležitým aspektom v hviezdnej mechanike je, že všetka hmota vo vesmíre ťažšia ako vodík je výsledkom jadrovej fúzie. Skutočne ťažké prvky, ako je zlato, olovo alebo urán, je možné vytvoriť iba pomocou výbuchov supernov. Preto všetky látky, ktoré na Zemi poznáme, sú zlúčeniny vybudované z trosiek nejakého minulého hviezdneho zániku.