Ако се изразим ясно, без звезди просто нямаше да съществуваме. Всъщност, вероятно нямаше да има никакъв живот. Но защо звездите са толкова важни?

Най-очевидният отговор е, разбира се, енергията. Звездите произвеждат енергията, необходима за живота, чрез ядрен синтез. Ако звездите никога не бяха се образували в Вселената, щеше да цари вечен мрак и немислимо ниски температури, близо до -273˚C. Нашето Слънце отделя милиарди вата мощност и помага да се затопли планетата Земя, създавайки точно подходящата температура за течна вода и следователно за живот.

Но може би дори по-важно е, че звездите създават много от необходимите елементи за живота. Повечето важни молекули в телата ни са изградени от въглерод. Нужен ни е и кислород в водата, калций в костите, желязо в кръвта и много повече. Всички тези елементи се създават вътре в звездите. Когато звездите умират, тези елементи се освобождават в пространството, за да се преобразуват отново в почти всичко, което познаваме на Земята. Буквално всички ние сме направени от звезди!

За по-голямата част от живота си звездите изгарят водород и сливат водородни ядра в хелиеви ядра. Съществуват два различни начина за това. Първият се нарича pp-верига, а вторият — CNO-цикъл.

Звездите, изгарящи водород, се наричат звезди от Главната последователност, за които научихме в предишната глава. Нашето Слънце е звезда от Главната последователност, като по-голямата част от енергията се създава чрез pp-веригата — около 98,5%, а останалите 1,5% — чрез CNO-цикъла. Това е типично за звезда с масата на Слънцето. pp-веригата е доминиращият ядрен процес за звезди от Главната последователност с маса до около 1,5 пъти масата на нашето Слънце. При по-голяма маса CNO-цикълът би доминирал. Понастоящем Слънцето е изгорило около половината от водорода в центъра си и е на около 4,5 милиарда години.

pp-веригата винаги започва с два водородни ядра и произвежда хелий-4. Водородните ядра (които биха образували водороден атом, ако ги придружаваше електрон) са ефективно само единични протони, p. Така двата протона се сливат, за да образуват деутерий, като се освобождават позитрон и неутрино, тъй като единият протон се превръща в неутрон. Полученият деутерий след това се слива с друг протон, за да се образува изотоп на хелия — хелий-3, като се освобождава и фотон.

Това протича навсякъде в звездата, така че има относително голям брой молекули на хелий-3. Оттук нататък съществуват три различни начина за производство на хелий-4. ppI-веригата произвежда 86% от енергията на Слънцето. При този процес две хелий-3 ядра се сливат, за да образуват хелий-4, а останалите протони се освобождават, за да бъдат в крайна сметка включени в друга pp-верижна реакция.

ppII-веригата произвежда около 14% от енергията на Слънцето. При този процес една от молекулите на хелий-3 се комбинира с вече съществуваща молекула на хелий-4, за да се образуват берилий-7 и фотон. Берилий-7 обаче е нестабилен и се разпада чрез залавяне на електрон — тоест комбинира се с електрон, образувайки литий-7, и в процеса освобождава неутрино. Накрая литий-7 се комбинира с молекула деутерий, за да образуват две молекули хелий-4.

Съществува и ppIII-верига, отговорна само за 0,02% от енергията на Слънцето. Тук нестабилният берилий-7 се комбинира с друг протон, за да образуват бор-8 и фотон. Бор-8 е силно нестабилен и бързо се разпада, образувайки друг нестабилен изотоп на берилий — берилий-8, като освобождава позитрон и неутрино като странични продукти. Берилий-8 се разпада обратно до два хелий-4.

CNO означава „въглерод-азот-кислород". В CNO-цикъла тези елементи действат като катализатори за производство на хелий. Тук протон се слива с въглерод-12 ядро, за да се образуват нестабилен азот-13 и фотон. Азот-13 претърпява бета-разпад до въглерод-13, освобождавайки позитрон и неутрино. После въглерод-13 се слива с друг протон, за да образуват азот-14 (и фотон), който от своя страна се слива с още един протон, за да образуват кислород-15 (и фотон). Кислород-15 обаче претърпява положителен бета-разпад до азот-15, позитрон и неутрино. Накрая азот-15 се слива с протон и веднага се разделя, за да образуват ядро на хелий-4 и ядро на въглерод-12, което може да продължи и да започне целия цикъл отначало.

Ядрените процеси, протичащи в Слънцето — pp-веригата и CNO-цикълът — създават много продукти, за които все още не сме говорили. Очевидно произведената енергия е предимно фотони, които виждаме като слънчева светлина. Ядрените процеси обаче произвеждат и много неутрина.

Физиците намират неутрината за много интригуващи: те са много необичайни частици. Неутрината носят много енергия, но почти изобщо не взаимодействат с материята. Нямат електрически заряд и имат изключително малка, почти пренебрежима маса. Могат да преминават през обекти така, както слънчевата светлина преминава през чисто стъкло. Неутрината могат да пътуват безпрепятствено от центъра на Слънцето до Земята за около 8 минути.

Използвайки невероятно сложно оборудване, учените са намерили начини да регистрират тези неутрина в огромни подземни лаборатории, далеч от всяко повърхностно излъчване. Това може да даде на учените начин да разберат какво се случва в центъра на Слънцето, където тези частици се създават.

Стената на водния резервоар на Детектора за неутрина Супер-Камиоканде в Япония е наредена с хиляди фотонни детектори, всеки с размера на плажна топка. Понякога неутрино, идващо от Слънцето, взаимодейства с водна молекула, произвеждайки фотони, регистрирани от един или няколко от тези детектори. Източник на изображение: Обсерватория Камиока, ICRR Токио

Учените са теоретизирали съществуването на неутриното дълго преди то да бъде открито и са могли дори да предскажат колко неутрина ще произвежда Слънцето всяка секунда и колко от тях ще бъдат регистрируеми на Земята. Обаче когато е проведен експеримент за потвърждаване на това през 60-те години на XX в., е имало сериозно несъответствие. В продължение на много години учените смятали, че нещо не е наред с нашия модел на Слънцето, защото само около една трета до половината от изчисления брой неутрина е регистриран от детекторите на Земята. Това несъответствие е наречено проблем с слънчевите неутрина.

За да се разбере решението на този проблем, трябва да се осъзнае, че съществуват три вида (или аромата) неутрина: електронни, мюонни и тау неутрина. Ядрените реакции в центъра на Слънцето произвеждат само електронни неутрина. Ако обаче се приеме, че електронните неутрина могат по някакъв начин да се трансформират в мюонни или тау неутрина по пътя от центъра на Слънцето до Земята, това би осигурило обяснение за липсващите неутрина.

До 2002 г. земните детектори за неутрина можеха да регистрират само електронни неутрина. Мюонните неутрина не можеха да бъдат регистрирани от нито един от предишните експерименти, провеждани от 60-те години. Едва през 2002 г. стало възможно да се регистрират електронни, а и мюонни неутрина в нов детектор — Суднъри Неутринна Обсерватория (SNO) в Канада. Тогава е доказано експериментално, че неутрините могат да сменят своя тип и освен това е решен проблемът с слънчевите неутрина, тъй като сборът от броя на регистрираните електронни неутрина плюс броя на регистрираните мюонни неутрина е отговарял точно на предсказанието на нашия модел на Слънцето.

Тази снимка показва голямото съдове, пълно с тежка вода в подземната лаборатория SNO в Канада. Този експеримент е позволил да се регистрират електронни, а и мюонни неутрина и по този начин е решил проблема с слънчевите неутрина. Източник на изображение: Суднъри Неутринна Обсерватория.

Към края на живота на звезда от Главната последователност, когато тя изчерпи водорода за изгаряне, синтезът на водород спира. Неспособно да произвежда енергия, за да поддържа собственото си тегло, ядрото на звездата започва да се свива, увеличавайки налягането и температурата в процеса.

В крайна сметка ядрото на звездата се нагрява достатъчно, за да започне изгаряне на хелий. Това кара външната обвивка да се разшири, но тъй като произведената енергия се разпределя върху по-голяма площ, звездата всъщност потъмнява и става по-червена. Ето защо звездите, наближаващи края на живота си, се наричат червени гиганти.

Синтезът на хелий протича в ядрен процес, наречен реакция на тройно алфа, и произвежда въглерод и кислород като странични продукти. Въглеродът е от съществено значение за живота, тъй като е способен да образува необходимите сложни молекули на живота (ДНК, протеини). Същото е вярно за кислорода, тъй като животът се нуждае от водни молекули, съдържащи кислород (H₂O). Това можете лесно да видите от факта, че животът е рядко или несъществуващ там, където има малко вода — като в пустините или на планетата Марс.

Въглеродът се създава чрез изгаряне на хелий чрез уникален ядрен процес — така наречената реакция на тройно алфа. Това е двустъпков процес, при който първо две хелиеви ядра (алфа частици) се срещат, за да образуват берилий-8 (⁸Be). На втората стъпка друга алфа частица се включва в ⁸Be, образувайки ядро на въглерод-12 (¹²C). Въпреки това, връзката между двете алфа частици, съставляващи ⁸Be, е много слаба и те се разпадат отново изключително бързо (след около 10^-16 s). Залавянето на трета алфа частица от ⁸Be преди разпадането му е възможно само защото това залавяне е засилено от т.нар. резонанс в ¹²C, който огромно увеличава ефективността на третото алфа залавяне.

Съществуването и подробните свойства на този резонанс са предсказани от британския учен Фред Хойл (1915–2001) само от съображението, че без него производството на въглерод в звездите няма да е достатъчно, за да позволи живота. Само две години след неговото предсказание, този резонанс е наистина открит в лабораторен експеримент. Уникалността на реакцията на тройно алфа може да се види от факта, че изглежда е единственият случай, при който резултатът от лабораторен експеримент е бил предсказан правилно на основата на това, че иначе не щяхме да съществуваме.

Сър Фред Хойл е забележителен с редица теории и като писател на научна фантастика. Той обаче вярвал, че Вселената е в "стационарно състояние" и се разширява поради създаването на нова материя, а не поради широко приетата теория за "Големия взрив". Иронично е, че той е измислил термина "Голям взрив" в един от статиите си, критикуващи тази теория. Първоначално терминът е бил предназначен да осмее теорията, но привържениците й решили, че всъщност е много подходящ и го запазили.

Предсказването и след това откритието на резонанса на Фред Хойл в ¹²C дало много подкрепа на една от другите му теории: хипотезата за звездния нуклеосинтез, която твърди, че всички природни химически елементи се образуват от водород вътре в звездите.

Когато хелият се изчерпи в центъра на звездата, ядрото на звездата отново се свива, повишавайки температурата и плътността, така че вече може да изгаря въглерод. Този механизъм на свиване и запалване на различно гориво всеки път, когато предишното гориво се изчерпи, се повтаря и води до по-нататъшни последователни фази на изгаряне, при които продуктите на предишното изгаряне са горивата на следващите фази. Следните напреднали фази на изгаряне се осъществяват, произвеждайки все по-тежки елементи: въглерод, кислород, неон и силиций. Изгарянето на силиций, произвеждащо главно желязо, е последната фаза на изгаряне в звезда. След това ядреното изгаряне вече не може да произвежда енергия, защото синтезът на желязо и по-тежки от желязото ядра не освобождава енергия.

Изображението показва ядрото на масивна звезда в края на изгарянето на силиций. Типичният радиус на ядрото би бил ~R_Земя, докато радиусът на обвивката би бил ~5 AU. Източник: Ричард Пог, OSU.

Ядреното изгаряне в центъра на звездите е придружено от изгаряне в обвивка. Процесите на изгаряне в обвивка са подобни на предхождащите централни фази на изгаряне и протичат едновременно с напредналото централно изгаряне в сферични черупки около центъра, където температурата и плътността не са толкова високи, но по-леко ядрено гориво все още е налично. Например, когато ядрото на звезда синтезира въглерод, за да произведе кислород, обвивката все още съдържа останал хелий. Енергията, произвеждана от синтезиращото въглерод ядро, нагрява обвивката, докато не стане достатъчно горещо, за да изгори хелия. Хелият се синтезира до въглерод, който е тежък и пада в ядрото, осигурявайки повече гориво.

Не всички звезди могат да създадат пълния списък от елементи, изброени по-горе. Колкото по-голяма е звездата, толкова по-висока температура може да достигне ядрото и толкова по-вероятно е да може да образува по-тежките елементи. Нашето Слънце например не е особено голямо. В момента то синтезира водород до хелий и към края на живота си вероятно ще успее да синтезира хелий и да произведе въглеродно ядро; но е малко вероятно да достигне температурите, необходими за синтез на въглерод.

За звезди с маса по-малка от 8 пъти масата на Слънцето могат да се осъществят само изгаряне на водород и хелий, тъй като ядрото на звездата никога не достига температурата и плътността, необходими за запалване на друга фаза на изгаряне. След края на процеса на изгаряне на хелий, остават само двете външни обвивки: водород на ръба, хелий малко по-навътре и ядрото на звездата. Ядрото се състои от въглерода и кислорода, произведени в реакцията на тройно алфа. След това пулсации и силни звездни ветрове причиняват отдухването на външните слоеве, създавайки планетарна мъглявина и оставайки зад себе си Бяла джудже.

В звезди по-големи от 8 пъти масата на Слънцето ядрените процеси могат да продължат много по-дълго, до изгаряне на силиций, оставайки железно ядро. Когато това приключи, звездата не може да поддържа собственото си тегло и външните обвивки бързо падат в звездата, след което отскачат от плътното ядро в мощна ударна вълна, водейки до характерния взрив на супернова от тип II, оставаща след себе си Неутронна звезда.

Чрез тези ветрове и взривове, свежите елементи, създадени в звездите, се разпределят като газ и прахови облаци в пространството. По този начин звездите са като фабрики, произвеждащи елементи, които са строителните материали за нови звезди, планети и в крайна сметка за нас, хората.

Чрез планетарни мъглявини (вляво) и супернови (вдясно) елементите, създадени в звездите, се разпределят в пространството. Източници на изображения: NASA

Най-тежкият елемент, който звездите могат да създадат, е желязото, чрез ядрени синтезни процеси, произвеждащи новия елемент и освобождаващи енергия. Обаче за елементи по-тежки от желязото, съставните им части са по-малко склонни да се слепват. Ако например положително заряден протон се опита да се слее с положително ядро, тъй като имат еднакъв заряд и се отблъскват, вместо да произведат енергия, такъв процес всъщност би консумирал енергия. За достигане на достатъчно висока енергия, за да се преодолеят тези отблъскващи сили, са необходими все по-високи температури.

Тогава как се създават по-тежки елементи като злато и уран?

Тези проблеми ще бъдат избегнати, ако вземем предвид неутроните. Неутроните нямат заряд, така че могат да се слеят с ядро без да преодоляват електрическото отблъскване. Ако ядрата залавят неутрони, могат да се образуват ядра с повече неутрони. Ако едно ядро се напълни прекалено много с неутрони, някои от неутроните ще се трансформират в протон чрез бета-разпад. По такъв начин се произвеждат по-тежки елементи.

Тези процеси обаче могат да се осъществяват само при много специфични условия. Съществуват два процеса, които заедно са известни като звезден нуклеосинтез (синтез на ядра в звездите).

Бавният или s-процес: Този процес протича по време на изгарянето на хелий в Червените гиганти. На тази фаза има изобилие от неутрони, залавяни от другите ядра. Процесът е бавен, защото се произвеждат относително малко неутрони и отнема милиони години, докато се образува значително количество тежки елементи. По такъв начин се произвеждат елементи като цирконий, използван като скъпоценен камък или в катализатори. Елементите, произведени по тoзи начин, обикновено са стабилни, тъй като процесът е достатъчно бавен, за да позволи на ядрата да се разпаднат до стабилност, преди да заловят друг неутрон.

Бързият или r-процес: Този процес протича по време на фазата на супернова от тип II. В този случай неутроните се произвеждат чрез сливането на протони и електрони (залавяне на електрон от протон). Процесът е бърз, тъй като се произвеждат голям брой неутрони и отнема само секунди, за да се образува значително количество тежки елементи. По такъв начин се произвеждат елементи като уран и злато. Новите елементи се образуват много по-бързо, отколкото може да настъпи ядреният разпад, така че произведените елементи often са нестабилни.

Космическите лъчи, идващи от открития космос, са първите изследвани частици с висока енергия. Всяка секунда няколко космически лъча преминават през тялото ви, независимо където се намирате. Трудно е да се установи точният произход на космическите лъчи, защото идват от всички посоки. Много от тях произхождат от Слънцето, а останалите вероятно са излъчени от свъхнови. Космическите лъчи, удрящи горния атмосферен слой, са главно бързо движещи се, високоенергийни протони. Когато се носят към Земята, те се сблъскват с атоми в въздуха (главно азот и кислород), създавайки нови частици, падащи дъжд върху повърхността на Земята. Повечето от тези нови частици са нестабилни изотопи.

Една от най-интригуващите истории в историята на ядрената физика е откритието през 1972 г. на естествен ядрен реактор, намиращ се в Африка.

Рутинни измервания на проби от UF₆ от мина Окло в Габон, Централна Африка, показали несъответствие в количеството на изотопа ²³⁵U в сравнение с уран от други мини. По-ниски концентрации и наличието на други изотопи като неодим и рутений предполагало, че е протекла ядрена реакция. Това озадачило, и някои хора дори предполагали, че тези отпадъчни продукти са оставени от извънземна цивилизация, съхранила радиоактивните отпадъци от двигателите на космическия им кораб там.

В крайна сметка е установено, че естествено срещащ се уран е бил концентриран в скалите от геоложки процеси до такива високи концентрации, че ядрените верижни реакции са могли да започнат сами около два милиарда години назад и са се поддържали толкова дълго, колкото 1 милион години.

След Големия взрив, около 13,7 милиарда години назад (горе вляво на изображението по-долу), Вселената е включвала газ: чист водород и хелий без никакви други елементи (горе в средата). По-гъстите области на газа в крайна сметка са се свили под собствената им гравитация и са произведени звезди (вдясно в средата). Звездите произвеждат елементи (най-тежките са желязо за повечето звезди) за милиони до милиарди години (отдолу). В края на живота си звездите разпределят създадените елементи в пространството чрез планетарни мъглявини и свъхнови. Елементи по-тежки от желязото се произвеждат по время на свъхновите (вляво в средата). Освободените елементи образуват нови звезди и процесът продължава. Този цикъл е протекъл редица пъти, преди да се образуват Слънцето и планетите (горе вдясно). Слънчевата система съдържа елементи, създадени в предишни поколения звезди. Източник на изображение: Behacker & Partner