Stellaire nucleosynthese Hoe sterren alle elementen maken

Stellaire nucleosynthese is het proces waarbij elementen in sterren worden gecreëerd door de protonen en neutronen samen te voegen uit de kernen van lichtere elementen. Alle atomen in het universum begonnen als waterstof. Fusie in sterren transformeert waterstof in helium, warmte en straling. Zwaardere elementen worden gemaakt in verschillende soorten sterren terwijl ze sterven of exploderen.

Geschiedenis van de theorie

Het idee dat sterren de atomen van lichtelementen samensmelten, werd voor het eerst voorgesteld in de jaren 1920, door Einstein's sterke voorstander Arthur Eddington. Fred Hoyle's werk in de nasleep van de Tweede Wereldoorlog wordt echter echt geprezen om het tot een coherente theorie te ontwikkelen. Hoyle's theorie bevatte een aantal significante verschillen met de huidige theorie, met name dat hij niet in de oerknaltheorie geloofde, maar in plaats daarvan dat er voortdurend waterstof in ons universum werd gecreëerd. (Deze alternatieve theorie werd een steady-state-theorie genoemd en raakte uit de gratie toen de kosmische microgolfachtergrondstraling werd gedetecteerd.)

De vroege sterren

Het eenvoudigste type atoom in het universum is een waterstofatoom, dat een enkel proton in de kern bevat (mogelijk met ook enkele neutronen die rondhangen) met elektronen die die kern omcirkelen. Deze protonen worden nu verondersteld te zijn gevormd wanneer de ongelooflijk hoge energie quark-gluon plasma van het zeer vroege universum verloor voldoende energie dat quarks aan elkaar begonnen te binden om protonen (en andere hadronen, zoals neutronen) te vormen. Waterstof vormde vrijwel onmiddellijk en zelfs helium (met kernen die 2 protonen bevatten) gevormd in relatief korte volgorde (onderdeel van een proces dat Big Bang-nucleosynthese wordt genoemd).

Toen deze waterstof en helium zich in het vroege universum begonnen te vormen, waren er sommige gebieden waar het dichter was dan in andere. De zwaartekracht nam het over en uiteindelijk werden deze atomen samengevoegd tot massief wolkengas in de uitgestrekte ruimte. Toen deze wolken eenmaal groot genoeg waren geworden, werden ze door de zwaartekracht met voldoende kracht samengetrokken om de atoomkernen daadwerkelijk te laten samensmelten, in een proces dat kernfusie wordt genoemd. Het resultaat van dit fusieproces is dat de twee één-protonatomen nu een enkel twee-protonatoom hebben gevormd. Met andere woorden, twee waterstofatomen zijn begonnen met een enkel heliumatoom. De energie die vrijkomt tijdens dit proces zorgt ervoor dat de zon (of een andere ster trouwens) brandt.

Het duurt bijna 10 miljoen jaar om de waterstof door te branden en dan wordt het warm en begint het helium te smelten. Stellaire nucleosynthese blijft zwaardere en zwaardere elementen creëren totdat je eindigt met ijzer.

De zwaardere elementen maken

Het verbranden van helium om zwaardere elementen te produceren gaat dan nog ongeveer 1 miljoen jaar door. Grotendeels wordt het gefuseerd tot koolstof via het drievoudige-alfa-proces waarin drie helium-4-kernen (alfadeeltjes) worden omgezet. Het alfaproces combineert vervolgens helium met koolstof om zwaardere elementen te produceren, maar alleen die met een even aantal protonen. De combinaties gaan in deze volgorde:

1. Koolstof plus helium produceert zuurstof.
2. Zuurstof plus helium produceert neon.
3. Neon plus helium produceert magnesium.
4. Magnesium plus helium produceert silicium.
5. Silicium plus helium produceert zwavel.
6. Zwavel plus helium produceert argon.
7. Argon plus helium produceert calcium.
8. Calcium plus helium produceert titanium.
9. Titanium plus helium produceert chroom.
10. Chroom plus helium produceert ijzer.

Andere fusiepaden creëren de elementen met oneven aantallen protonen. IJzer heeft zo'n strak gebonden kern dat er geen verdere fusie is zodra dat punt is bereikt. Zonder de hitte van fusie stort de ster in en explodeert in een schokgolf.

Natuurkundige Lawrence Krauss merkt op dat het 100.000 jaar duurt voordat de koolstof in zuurstof brandt, 10.000 jaar voordat de zuurstof in silicium brandt, en op een dag voordat het silicium in ijzer brandt en de ineenstorting van de ster inluidt.

Astronoom Carl Sagan in de tv-serie "Cosmos" merkte op: "We zijn gemaakt van sterren." Krauss was het ermee eens en verklaarde dat "elk atoom in je lichaam ooit in een ster was die explodeerde ... De atomen in je linkerhand kwamen waarschijnlijk van een andere ster dan in je rechterhand, omdat 200 miljoen sterren zijn ontploft om de atomen in je te vormen lichaam."