Stellaire nucleosynthese is het proces waarbij elementen binnen sterren worden gecreëerd door de protonen en neutronen samen van de kernen van lichtere elementen. Alle atomen in het universum zijn begonnen als waterstof. Fusie in sterren transformeert waterstof in helium, warmte en straling. Zwaardere elementen worden gemaakt in verschillende soorten sterren terwijl ze afsterven of exploderen.
Geschiedenis van de theorie
Het idee dat sterren de atomen van lichtelementen met elkaar versmelten, werd in de jaren twintig voor het eerst bedacht door Einsteins sterke voorstander Arthur Eddington. Fred Hoyle's werk in de nasleep van de Tweede Wereldoorlog verdient echter de echte eer om het tot een coherente theorie te ontwikkelen. Hoyle's theorie bevatte enkele significante verschillen met de huidige theorie, met name dat hij niet in de oerknaltheorie maar in plaats daarvan werd er voortdurend waterstof aangemaakt binnen ons universum. (Deze alternatieve theorie heette a steady state theorie en viel uit de gratie toen de kosmische achtergrondstraling werd gedetecteerd.)
Het eenvoudigste type atoom in het universum is een waterstofatoom, dat een enkel proton in de kern bevat (mogelijk met enkele neutronen die ook rondhangen) met elektronen die die kern omcirkelen. Er wordt nu aangenomen dat deze protonen zijn gevormd tijdens de ongelooflijk hoge energie quark-gluon-plasma van het zeer vroege heelal verloor genoeg energie quarks begon aan elkaar te hechten om protonen (en andere hadrons, zoals neutronen). Waterstof vormde vrijwel onmiddellijk en zelfs helium (met kernen met 2 protonen) vormden in relatief korte tijd (onderdeel van een proces dat Big Bang-nucleosynthese wordt genoemd).
Toen dit waterstof en helium zich in het vroege universum begonnen te vormen, waren er in sommige gebieden meer dichtheden dan in andere. De zwaartekracht nam het over en uiteindelijk werden deze atomen samengevoegd tot enorme wolken gas in de uitgestrekte ruimte. Zodra deze wolken groot genoeg werden, werden ze door de zwaartekracht met voldoende kracht bij elkaar getrokken om de atoomkernen daadwerkelijk te laten samensmelten, in een proces dat kernfusie. Het resultaat van dit fusieproces is dat de twee atomen met één proton nu een enkel atoom met twee protonen hebben gevormd. Met andere woorden, twee waterstofatomen zijn begonnen met één enkel heliumatoom. De energie die vrijkomt tijdens dit proces zorgt ervoor dat de zon (of welke ster dan ook) gaat branden.
Het duurt bijna 10 miljoen jaar om door de waterstof te branden en dan wordt het warm en begint het helium te fuseren. Stellaire nucleosynthese blijft zwaardere en zwaardere elementen creëren totdat je met ijzer eindigt.
De zwaardere elementen creëren
Het verbranden van helium om zwaardere elementen te produceren, duurt dan ongeveer 1 miljoen jaar. Grotendeels wordt het gesmolten tot koolstof via het triple-alpha-proces waarin drie helium-4-kernen (alfadeeltjes) worden getransformeerd. 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:
- Carbon plus helium produceert zuurstof.
- Zuurstof plus helium produceert neon.
- Neon plus helium produceert magnesium.
- Magnesium plus helium produceert silicium.
- Silicium plus helium produceert zwavel.
- Zwavel plus helium produceert argon.
- Argon plus helium produceert calcium.
- Calcium plus helium produceert titanium.
- Titanium plus helium produceert chroom.
- Chroom plus helium produceert ijzer.
Andere fusiepaden creëren de elementen met een oneven aantal protonen. IJzer heeft zo'n sterk gebonden kern dat er geen verdere fusie meer is als dat punt eenmaal 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 is verbrand, 10.000 jaar lang de zuurstof om in silicium te verbranden, en op een dag zal het silicium in ijzer verbranden en de ineenstorting van de ster.
Astronoom Carl Sagan merkte in de tv-serie "Cosmos" op: "We zijn gemaakt van sterrenstof." Krauss was het daarmee 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 lichaam te vormen. '