A csillagok nukleoszintézise az az eljárás, amelynek során az elemek a csillagokon belül létrejönnek a protonok és neutronok együtt a könnyebb elemek magjából. Az univerzumban az összes atom hidrogénként kezdődött. A csillagokon belüli fúzió átalakítja a hidrogént héliummá, hővé és sugárzásgá. A nehezebb elemek különféle csillagokban jönnek létre, amikor elhalnak vagy felrobbannak.
Az elmélet története
Az ötlet, hogy a csillagok összekeverik a fényelemek atomjait, először az 1920-as években javasolta Einstein erős támogatója, Arthur Eddington. Fred Hoyle munkájának a második világháború utáni munkájához viszont valódi hitelt érdemel annak koherens elméletké alakítása. Hoyle elmélete tartalmaz néhány szignifikáns különbséget a jelenlegi elmélethez képest, nevezetesen azért, hogy nem hitt benne ősrobbanás elmélet hanem ehelyett a hidrogén folyamatosan jött létre univerzumunkban. (Ezt az alternatív elméletet a egyensúlyi állapot elmélet és nem részesült előnyben, amikor a kozmikus mikrohullámú háttér sugárzást detektálták.)
Az univerzum legegyszerűbb atomtípusa a hidrogénatom, amely egyetlen protont tartalmaz a magban (esetleg néhány neutron mellett is lóghat), és az atommag körüli elektronokkal körbejárható. Úgy gondolják, hogy ezek a protonok akkor képződtek, amikor a hihetetlenül nagy energiafelhasználás megtörtént kvark-gluon plazma a nagyon korai világegyetem elegendő energiát veszített el kvarkok összekapcsolódni kezdett protonok (és más protonok) kialakítása céljából hadronokat, mint a neutronok). A hidrogén nagyjából azonnal képződött, sőt a hélium (2 protont tartalmazó magokkal) viszonylag rövid sorrendben képződött (a Big Bang nukleoszintézisének nevezett folyamat része).
Mivel ez a hidrogén és a hélium a korai világegyetemben kezdett kialakulni, voltak olyan területek, ahol sűrűbb volt, mint másokban. A gravitáció átvette a helyét, és végül ezeket az atomokat hatalmas felhőgázokká húzták össze a világűrben. Amint ezek a felhők elég nagyok lettek, a gravitáció elegendő erővel összehúzta őket, hogy az atommagokat valójában megolvadjanak, egy nukleáris fúzió. Ennek a fúziós folyamatnak az eredménye, hogy a két egy-proton atom egy két proton atomot alkotott. Más szavakkal, két hidrogénatom indította el egyetlen hélium atomját. A folyamat során felszabaduló energia okozza a nap (vagy bármely más csillag) égését.
Közel 10 millió évbe telik, amíg a hidrogén keresztül ég, majd a dolgok felmelegednek, és a hélium összeolvad. A csillagok nukleoszintézise továbbra is nehezebb és nehezebb elemeket hoz létre, amíg a vas végére nem kerül.
A nehezebb elemek létrehozása
A hélium elégetése nehezebb elemek előállítása céljából körülbelül egymillió évig folytatódik. Nagyrészt szénre fuzionálják a tripla-alfa-folyamaton keresztül, amelynek során három hélium-4 mag (alfa-részecske) transzformálódik. Az alfa-eljárás ezután egyesíti a héliumot a széntel, hogy nehezebb elemeket állítson elő, de csak azok, amelyekben páros számú proton van. A kombinációk ebben a sorrendben haladnak:
- A szén és a hélium oxigént termel.
- Az oxigén és a hélium neont hoz létre.
- A neon és a hélium magnéziumot termel.
- A magnézium és a hélium szilíciumot eredményez.
- A szilícium és a hélium ként termel.
- A kén és a hélium argont termel.
- Az argon és a hélium kalciumot termel.
- A kalcium és a hélium titánt termel.
- A titán és a hélium krómot eredményez.
- A króm és a hélium vasat termel.
Más fúziós útvonalak révén az elemek páratlan számú protonnal jönnek létre. A vasnak olyan szorosan megkötött magja van, hogy ezen pont elérése után nem folytatódhat további fúzió. A fúzió hője nélkül a csillag összeomlik és felrobban egy ütéshullámban.
Lawrence Krauss fizikus megjegyzi, hogy 100 000 évbe telik, míg a szén oxigénbe éget, 10 000 évre - az oxigén szilíciummá égett, és egy nap a szilícium vasba égethet, és az csillag.
Carl Sagan csillagász a "Cosmos" sorozatban megjegyezte: "Csillagokból készülünk." Krauss egyetértett azzal, hogy "a testben minden atom egy csillag belsejében volt, amely felrobbanott... A bal kezed atomjai valószínűleg más csillagból származtak, mint a jobb kezed, mert 200 millió csillag robbant fel, hogy alkossák a test atomjait. "