Om kärnfusion i stjärnor

Kärnfusion är stjärnornas livsnerv och en viktig process för att förstå hur universum fungerar. Processen är det som driver vår egen sol och är därför rotkällan till all energi på jorden. Till exempel är vår mat baserad på att äta växter eller äta saker som äter växter, och växter använder solljus för att göra mat. Dessutom är praktiskt taget allt i våra kroppar gjorda av element som inte skulle existera utan kärnfusion.

Fusion är ett stadium som händer under stjärnbildningen. Detta börjar i gravitationskollapsen av ett jätte molekylärt moln. Dessa moln kan spänna över flera dussin kubikljusår och rymma stora mängder materia. När tyngdkraften kollapsar molnet bryts det upp i mindre bitar, var och en centrerad kring en koncentration av materia. När dessa koncentrationer ökar i massa accelererar motsvarande gravitation och därmed hela processen, med kollapsen i sig som skapar värmeenergi. Så småningom kondenseras dessa bitar under värme och tryck till gasformiga sfärer som kallas protostjärnor. Om en protostjärna inte koncentrerar tillräckligt med massa uppnår den aldrig det tryck och värme som krävs för kärnfusion och blir en brun dvärg. Den energi som stiger från fusionen som äger rum i centrum uppnår ett tillstånd av jämvikt med stjärnans vikt, vilket förhindrar ytterligare kollaps även i supermassiva stjärnor.

Det mesta av det som utgör en stjärna är vätgas tillsammans med lite helium och en blandning av spårämnen. Det enorma trycket och värmen i solens kärna är tillräckliga för att orsaka vätefusion. Vätefusion klämmer samman två väteatomer tillsammans, vilket resulterar i skapandet av en heliumatom, fria neutroner och mycket energi. Detta är processen som skapar all energi som frigörs av solen, inklusive all värme, synligt ljus och UV-strålar som så småningom når jorden. Väte är inte det enda elementet som kan smältas på detta sätt, men tyngre element kräver successivt större mängder tryck och värme.

Så småningom börjar stjärnorna ta slut på väte som ger det grundläggande och mest effektiva bränslet för kärnfusion. När detta händer förhindrade den stigande energin som upprätthöll jämvikten ytterligare kondens av stjärnan och orsakade ett nytt stadium av stjärnkollaps. När kollapsen ger tillräckligt, större tryck på kärnan är en ny fusionsrunda möjlig, den här gången brinner det tyngre heliumelementet. Stjärnor med en massa som är mindre än hälften av vår egen sol saknar möjligheten att smälta helium och bli röda dvärgar.

När en stjärna börjar smälta helium i kärnan ökar energiproduktionen över väte. Denna större effekt driver stjärnans yttre lager längre ut och ökar dess storlek. Ironiskt nog är dessa yttre lager nu tillräckligt långt ifrån där fusionen äger rum för att svalna lite och förvandla dem från gult till rött. Dessa stjärnor blir röda jättar. Heliumfusion är relativt instabil, och temperaturfluktuationer kan orsaka pulsationer. Det skapar kol och syre som biprodukter. Dessa pulsationer har potential att blåsa av stjärnans yttre lager i en novaexplosion. En nova kan i sin tur skapa en planetarisk nebulosa. Den återstående stjärnkärnan svalnar gradvis och bildar en vit dvärg. Detta är det troliga slutet för vår egen Sun.

Större stjärnor har mer massa, vilket innebär att när heliumet är uttömt kan de få en ny runda av kollaps och producera trycket för att starta en ny fusionsrunda, vilket skapar ännu tyngre element. Detta kan eventuellt fortsätta tills järn nås. Järn är det element som delar element som kan producera energi i fusion från de som absorberar energi i fusion: järn absorberar lite energi i skapandet. Nu dränerar fusion snarare än att skapa energi, även om processen är ojämn (järnfusion kommer inte att pågå universellt i kärnan). Samma fusionsinstabilitet i supermassiva stjärnor kan orsaka dem att mata ut sina yttre skal på ett sätt som liknar vanliga stjärnor, med resultatet kallas en supernova.

Ett viktigt övervägande inom stjärnmekanik är att all materia i universum som är tyngre än väte är resultatet av kärnfusion. Verkligen tunga element, som guld, bly eller uran, kan bara skapas genom supernovaexplosioner. Därför är alla ämnen som vi känner till på jorden föreningar som är byggda ur skräp från ett tidigare stjärnfall.