Για να το πούμε απλά, χωρίς τα άστρα απλώς δεν θα υπήρχαμε. Στην πραγματικότητα, πιθανώς δεν θα υπήρχε καμία ζωή. Αλλά γιατί τα άστρα είναι τόσο απαραίτητα;

Η πιο προφανής απάντηση είναι, φυσικά, η ενέργεια. Τα άστρα παράγουν την ενέργεια που είναι απαραίτητη για τη ζωή μέσω της πυρηνικής σύντηξης. Αν τα άστρα δεν είχαν ποτέ σχηματιστεί στο σύμπαν, θα επικρατούσε αιώνιο σκοτάδι και αδιανόητα χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στους -273˚C. Ο ήλιός μας αποδίδει δισεκατομμύρια βατ ισχύος και βοηθά στη θέρμανση της γης, δημιουργώντας ακριβώς τη σωστή θερμοκρασία για υγρό νερό και κατά συνέπεια για τη ζωή.

Αλλά ίσως ακόμη πιο σημαντικό είναι ότι τα άστρα δημιουργούν πολλά από τα απαραίτητα στοιχεία για τη ζωή. Τα περισσότερα σημαντικά μόρια στο σώμα μας αποτελούνται από άνθρακα. Χρειαζόμαστε επίσης οξυγόνο στο νερό, ασβέστιο στα οστά μας, σίδηρο στο αίμα μας και πολλά άλλα. Όλα αυτά τα στοιχεία δημιουργούνται μέσα στα άστρα. Όταν τα άστρα πεθαίνουν, αυτά τα στοιχεία απελευθερώνονται στο διάστημα για να ανασχηματιστούν σε σχεδόν οτιδήποτε γνωρίζουμε στη Γη. Κυριολεκτικά όλοι μας είμαστε φτιαγμένοι από αστέρια!

Για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής τους, τα άστρα καίνε υδρογόνο και συντήκουν πυρήνες υδρογόνου σε πυρήνες ηλίου. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τρόποι για να γίνει αυτό. Ο πρώτος ονομάζεται αλυσίδα pp, ο δεύτερος ονομάζεται κύκλος CNO.

Τα άστρα που καίνε υδρογόνο ονομάζονται άστρα της Κύριας Ακολουθίας, για τα οποία μάθαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Ο ήλιός μας είναι ένα άστρο της Κύριας Ακολουθίας, με το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας να δημιουργείται μέσω της αλυσίδας pp, περίπου 98,5%, και το άλλο 1,5% μέσω του κύκλου CNO. Αυτό είναι τυπικό για ένα άστρο με τη μάζα του ήλιου. Η αλυσίδα pp είναι η πιο κυρίαρχη πυρηνική διαδικασία για άστρα κύριας ακολουθίας με μάζες έως περίπου 1,5 φορά τη μάζα του ήλιου μας. Οποιαδήποτε μεγαλύτερη μάζα θα επέτρεπε στον κύκλο CNO να κυριαρχήσει. Μέχρι τώρα, ο ήλιος έχει κάψει περίπου τα μισά υδρογόνο στο κέντρο του και είναι περίπου 4,5 δισεκατομμύρια ετών.

Η αλυσίδα pp ξεκινά πάντα με δύο πυρήνες υδρογόνου και παράγει ήλιο-4. Οι πυρήνες υδρογόνου (που θα σχηματίζαν ένα άτομο υδρογόνου αν συνοδεύονταν από ένα ηλεκτρόνιο) είναι ουσιαστικά μεμονωμένα πρωτόνια, p. Έτσι, τα δύο πρωτόνια συντήκονται για να σχηματίσουν δευτέριο, απελευθερώνοντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο καθώς ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο. Το δευτέριο που προκύπτει στη συνέχεια συντήκεται με ένα άλλο πρωτόνιο για να δημιουργήσει ένα ισότοπο ηλίου, ήλιο-3, απελευθερώνοντας επίσης ένα φωτόνιο.

Αυτό συμβαίνει σε όλο το άστρο, οπότε υπάρχει σχετικά μεγάλος αριθμός μορίων ηλίου-3. Από εδώ, υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι παραγωγής ηλίου-4. Η αλυσίδα ppI παράγει το 86% της ενέργειας του ήλιου. Σε αυτή τη διαδικασία, δύο πυρήνες ηλίου-3 συντήκονται για να παράγουν ήλιο-4 και τα εναπομείναντα πρωτόνια απελευθερώνονται για να συμμετάσχουν τελικά σε μια άλλη αντίδραση αλυσίδας pp.

Η αλυσίδα ppII παράγει περίπου το 14% της ενέργειας του ήλιου. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα από τα μόρια ηλίου-3 συνδυάζεται με ένα ήδη υπάρχον μόριο ηλίου-4 για να παράγει βηρύλλιο-7 και ένα φωτόνιο. Ωστόσο, το βηρύλλιο-7 είναι ασταθές και διασπάται μέσω σύλληψης ηλεκτρονίου, δηλαδή συνδυάζεται με ένα ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει λίθιο-7, απελευθερώνοντας ένα νετρίνο στη διαδικασία. Τελικά το λίθιο-7 συνδυάζεται με ένα μόριο δευτερίου για να δημιουργήσει δύο μόρια ηλίου-4.

Υπάρχει επίσης η αλυσίδα ppIII, που είναι υπεύθυνη μόνο για το 0,02% της ενέργειας του ήλιου. Εδώ, το ασταθές βηρύλλιο-7 συνδυάζεται με ένα άλλο πρωτόνιο για να σχηματίσει βόριο-8 και ένα φωτόνιο. Το βόριο-8 είναι εξαιρετικά ασταθές και διασπάται γρήγορα για να σχηματίσει ένα άλλο ασταθές ισότοπο βηρυλλίου, βηρύλλιο-8, απελευθερώνοντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο ως υποπροϊόντα. Το βηρύλλιο-8 διασπάται σε δύο ήλιο-4.

Το CNO σημαίνει «άνθρακας-άζωτο-οξυγόνο». Στον κύκλο CNO αυτά τα στοιχεία λειτουργούν ως καταλύτες για την παραγωγή ηλίου. Εδώ ένα πρωτόνιο συντήκεται με έναν πυρήνα άνθρακα-12 για να παράγει ασταθές άζωτο-13 και ένα φωτόνιο. Το άζωτο-13 υφίσταται βήτα διάσπαση σε άνθρακα-13, απελευθερώνοντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Στη συνέχεια ο άνθρακας-13 συντήκεται με ένα άλλο πρωτόνιο για να σχηματίσει άζωτο-14 (και ένα φωτόνιο) που με τη σειρά του συντήκεται με ένα άλλο πρωτόνιο για να σχηματίσει οξυγόνο-15 (και ένα φωτόνιο). Ωστόσο, το οξυγόνο-15 υφίσταται θετική βήτα διάσπαση σε άζωτο-15, ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Το άζωτο-15 στη συνέχεια, τελικά, συντήκεται με ένα πρωτόνιο και αμέσως διασπάται για να σχηματίσει έναν πυρήνα ηλίου-4 και έναν πυρήνα άνθρακα-12, που μπορεί στη συνέχεια να συνεχίσει και να ξεκινήσει ξανά ολόκληρο τον κύκλο.

Οι πυρηνικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στον ήλιο, η αλυσίδα pp και ο κύκλος CNO, δημιουργούν πολλά προϊόντα για τα οποία δεν έχουμε μιλήσει ακόμα. Προφανώς, η ενέργεια που παράγεται είναι κυρίως φωτόνια, τα οποία βλέπουμε ως ηλιακό φως. Ωστόσο, οι πυρηνικές διαδικασίες παράγουν επίσης πολλά νετρίνα.

Οι φυσικοί βρίσκουν τα νετρίνα πολύ ενδιαφέροντα: είναι πολύ ασυνήθιστα σωματίδια. Τα νετρίνα μεταφέρουν πολλή ενέργεια, αλλά σχεδόν καθόλου δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη. Δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και έχουν εξαιρετικά μικρή, σχεδόν αμελητέα μάζα. Μπορούν να διαπεράσουν αντικείμενα όπως το ηλιακό φως διαπερνά ένα καθαρό γυάλινο παράθυρο. Τα νετρίνα μπορούν να ταξιδέψουν ανεμπόδιστα από το κέντρο του ήλιου στη Γη σε περίπου 8 λεπτά.

Χρησιμοποιώντας απίστευτα εξελιγμένο εξοπλισμό, οι επιστήμονες έχουν βρει τρόπους να ανιχνεύουν αυτά τα νετρίνα σε τεράστια υπόγεια εργαστήρια, μακριά από οποιαδήποτε επιφανειακή ακτινοβολία. Αυτό μπορεί να δώσει στους επιστήμονες έναν τρόπο να κατανοήσουν τι συμβαίνει στο κέντρο του ήλιου, όπου δημιουργούνται αυτά τα σωματίδια.

Ο τοίχος της δεξαμενής νερού του Ανιχνευτή Νετρίνων Super-Kamiokande στην Ιαπωνία είναι επενδυμένος με χιλιάδες ανιχνευτές φωτονίων, ο καθένας περίπου στο μέγεθος μιας μπάλας παραλίας. Περιστασιακά ένα νετρίνο που έρχεται από τον ήλιο αλληλεπιδρά με ένα μόριο νερού παράγοντας φωτόνια που καταγράφονται από έναν ή περισσότερους από αυτούς τους ανιχνευτές. Πηγή εικόνας: Παρατηρητήριο Kamioka, ICRR Τόκιο

Οι επιστήμονες θεωρητικοποίησαν την ύπαρξη του νετρίνου πολύ πριν ανιχνευτεί, και μπόρεσαν ακόμα να προβλέψουν πόσα νετρίνα θα παρήγαγε ο ήλιος κάθε δευτερόλεπτο, και πόσα από αυτά θα ήταν ανιχνεύσιμα στη Γη. Ωστόσο, όταν πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα για να επιβεβαιωθεί αυτό τη δεκαετία του 1960, υπήρχε μια σοβαρή αναντιστοιχία. Για πολλά χρόνια οι επιστήμονες πίστευαν ότι κάτι δεν πήγαινε καλά με το μοντέλο του ήλιου μας, επειδή μόνο περίπου ένα τρίτο έως τα μισά του υπολογισμένου αριθμού νετρίνων καταγραφόταν από τους ανιχνευτές στη Γη. Αυτή η αναντιστοιχία ονομάστηκε πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων.

Για να κατανοήσουμε τη λύση αυτού του προβλήματος, πρέπει να συνειδητοποιήσουμε ότι υπάρχουν τρεις τύποι (ή γεύσεις) νετρίνων: νετρίνα ηλεκτρονίων, νετρίνα μιονίων και νετρίνα ταυ. Οι πυρηνικές αντιδράσεις στο κέντρο του ήλιου παράγουν μόνο νετρίνα ηλεκτρονίων. Ωστόσο, αν κάποιος υποθέσει ότι τα νετρίνα ηλεκτρονίων μπορούν κάπως να μετατραπούν σε νετρίνα μιονίων ή ταυ στη διαδρομή από το κέντρο του ήλιου στη Γη, αυτό θα αποτελούσε μια εξήγηση για τα αγνοούμενα νετρίνα.

Μέχρι το 2002, οι επίγειοι ανιχνευτές νετρίνων μπορούσαν να δουν μόνο νετρίνα ηλεκτρονίων. Τα νετρίνα μιονίων δεν μπορούσαν να ανιχνευτούν από κανένα από τα προηγούμενα πειράματα που λειτουργούσαν από τη δεκαετία του 1960. Μόνο το 2002 ήταν δυνατό να ανιχνευτούν νετρίνα ηλεκτρονίων καθώς και νετρίνα μιονίων σε έναν νέο ανιχνευτή, το Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury (SNO) στον Καναδά. Τότε αποδείχθηκε πειραματικά ότι τα νετρίνα μπορούν να αλλάξουν τον τύπο τους και επιπλέον το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων λύθηκε, επειδή το άθροισμα του αριθμού των ανιχνευμένων νετρίνων ηλεκτρονίων συν τον αριθμό των ανιχνευμένων νετρίνων μιονίων αντιστοιχούσε ακριβώς στην πρόβλεψη που έγινε από το μοντέλο μας για τον ήλιο.

Αυτή η φωτογραφία δείχνει το μεγάλο δοχείο που γεμίζεται με βαρύ νερό στο υπόγειο εργαστήριο SNO στον Καναδά. Αυτό το πείραμα επέτρεψε την ανίχνευση νετρίνων ηλεκτρονίων καθώς και νετρίνων μιονίων και έτσι έλυσε το πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Πηγή εικόνας: Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury.

Κοντά στο τέλος της ζωής ενός άστρου Κύριας Ακολουθίας, όταν εξαντλείται το υδρογόνο για καύση, η σύντηξη υδρογόνου σταματά. Αδυνατώντας να παράγει ενέργεια για να υποστηρίξει το δικό του βάρος, ο πυρήνας του άστρου αρχίζει να καταρρέει, αυξάνοντας την πίεση και τη θερμοκρασία καθώς το κάνει.

Τελικά, ο πυρήνας του άστρου γίνεται αρκετά ζεστός ώστε να αρχίσει να καίει ήλιο. Αυτό προκαλεί τη διαστολή του εξωτερικού περιβλήματος, αλλά με την παραγόμενη ενέργεια να διαδίδεται σε μεγαλύτερη επιφάνεια, το άστρο ουσιαστικά αμαυρώνεται και γίνεται πιο κόκκινο. Γι' αυτό τα άστρα που πλησιάζουν στο τέλος της ζωής τους ονομάζονται κόκκινοι γίγαντες.

Η σύντηξη ηλίου συμβαίνει σε μια πυρηνική διαδικασία που ονομάζεται αντίδραση τριπλού άλφα και παράγει άνθρακα και οξυγόνο ως υποπροϊόντα. Ο άνθρακας είναι απαραίτητος για τη ζωή, επειδή είναι ικανός να σχηματίσει τα απαραίτητα σύνθετα μόρια της ζωής (DNA, πρωτεΐνες). Το ίδιο ισχύει για το οξυγόνο, επειδή η ζωή χρειάζεται μόρια νερού που περιέχουν οξυγόνο (H₂O). Αυτό το βλέπει κάποιος εύκολα από το γεγονός ότι η ζωή είναι σπάνια ή ανύπαρκτη όπου δεν υπάρχει πολύ νερό, όπως στις ερήμους ή στον πλανήτη Άρη.

Ο άνθρακας δημιουργείται μέσω της καύσης ηλίου μέσω μιας μοναδικής πυρηνικής διαδικασίας, της λεγόμενης αντίδρασης τριπλού άλφα. Πρόκειται για μια διαδικασία δύο σταδίων στην οποία αρχικά δύο πυρήνες ηλίου (σωματίδια άλφα) συναντιούνται για να σχηματίσουν βηρύλλιο-8 (⁸Be). Στο δεύτερο στάδιο, ένα άλλο σωματίδιο άλφα ενσωματώνεται στο ⁸Be, αποδίδοντας έναν πυρήνα άνθρακα-12 (¹²C). Ωστόσο, ο δεσμός μεταξύ των δύο σωματιδίων άλφα που αποτελούν το ⁸Be είναι πολύ αδύναμος και χωρίζονται και πάλι εξαιρετικά γρήγορα (μετά από περίπου 10^-16 s). Η σύλληψη ενός τρίτου σωματιδίου άλφα από το ⁸Be πριν τη διάσπασή του είναι δυνατή μόνο επειδή αυτή η σύλληψη ενισχύεται από μια λεγόμενη συντονισμό στο ¹²C, που αυξάνει τεράστια την αποτελεσματικότητα της τρίτης σύλληψης σωματιδίου άλφα.

Η ύπαρξη και οι λεπτομερείς ιδιότητες αυτού του συντονισμού προβλέφθηκαν από τον Βρετανό επιστήμονα Fred Hoyle (1915–2001) απλώς από την εκτίμηση ότι χωρίς αυτόν η παραγωγή άνθρακα στα άστρα δεν θα ήταν αρκετή για να επιτρέψει τη ζωή. Μόνο δύο χρόνια μετά την πρόβλεψή του, αυτός ο συντονισμός ανακαλύφθηκε πραγματικά σε ένα εργαστηριακό πείραμα. Η μοναδικότητα της αντίδρασης τριπλού άλφα φαίνεται από το γεγονός ότι αυτή φαίνεται να είναι η μόνη περίπτωση όπου το αποτέλεσμα ενός εργαστηριακού πειράματος προβλέφθηκε σωστά με το επιχείρημα ότι διαφορετικά δεν θα υπήρχαμε.

Ο Σερ Φρεντ Χόυλ είναι αξιοσημείωτος για μια σειρά θεωριών και ως συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας. Ωστόσο, πίστευε ότι το σύμπαν βρισκόταν σε «σταθερή κατάσταση» και διαστελλόταν λόγω της δημιουργίας νέας ύλης και όχι της ευρέως αποδεκτής θεωρίας «Μεγάλης Έκρηξης». Ειρωνικά, επινόησε τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» σε ένα από τα άρθρα του που επέκρινε τη θεωρία. Αρχικά, ο όρος προοριζόταν να κοροϊδέψει τη θεωρία, αλλά οι υποστηρικτές της θεωρίας αποφάσισαν ότι στην πραγματικότητα ήταν πολύ κατάλληλος και τον διατήρησαν.

Η πρόβλεψη και στη συνέχεια η ανακάλυψη του ¹²C συντονισμού του Φρεντ Χόυλ έδωσε πολλή υποστήριξη σε μια από τις άλλες θεωρίες του: την υπόθεση της αστρικής νουκλεοσύνθεσης, η οποία ισχυρίζεται ότι όλα τα φυσικά χημικά στοιχεία σχηματίζονται από υδρογόνο μέσα στα άστρα.

Όταν το ήλιο εξαντλείται στο κέντρο ενός άστρου, ο πυρήνας του άστρου συστέλλεται ξανά, ανυψώνοντας τη θερμοκρασία και την πυκνότητα έτσι ώστε τώρα να μπορεί να καεί άνθρακας. Αυτός ο μηχανισμός συστολής και ανάφλεξης ενός διαφορετικού καυσίμου κάθε φορά που το προηγούμενο καύσιμο εξαντλείται επαναλαμβάνεται και οδηγεί σε περαιτέρω διαδοχικές φάσεις καύσης, στις οποίες τα προϊόντα της προηγούμενης καύσης αποτελούν τα καύσιμα των επόμενων φάσεων καύσης. Οι ακόλουθες προχωρημένες φάσεις καύσης λαμβάνουν χώρα, παράγοντας όλο και πιο βαριά στοιχεία: άνθρακας, οξυγόνο, νέο και πυρίτιο. Η καύση πυριτίου, που παράγει κυρίως σίδηρο, είναι η τελευταία φάση καύσης σε ένα άστρο. Μετά από αυτό, η πυρηνική καύση δεν μπορεί πλέον να παράγει ενέργεια, επειδή η σύντηξη σιδήρου και πυρήνων βαρύτερων από σίδηρο δεν απελευθερώνει ενέργεια.

Η εικόνα δείχνει τον πυρήνα ενός μαζικού άστρου στο τέλος της καύσης πυριτίου. Η τυπική ακτίνα πυρήνα θα ήταν ~R_Γη ενώ η ακτίνα του περιβλήματος θα ήταν ~5 AU. Πηγή: Richard Pogge, OSU.

Η πυρηνική καύση στο κέντρο των άστρων συνοδεύεται από καύση κελύφους. Οι διαδικασίες καύσης κελύφους είναι παρόμοιες με τις προηγούμενες κεντρικές φάσεις καύσης και συμβαίνουν ταυτόχρονα με την προχωρημένη κεντρική καύση σε σφαιρικά κελύφη γύρω από το κέντρο όπου η θερμοκρασία και η πυκνότητα δεν είναι τόσο υψηλές, αλλά ελαφρύτερο πυρηνικό καύσιμο είναι ακόμα διαθέσιμο. Για παράδειγμα, όταν ο πυρήνας ενός άστρου συντήκει άνθρακα για να παράγει οξυγόνο, το κέλυφος περιέχει ακόμα λίγο ήλιο που περίσσεψε. Η ενέργεια που παράγεται από τον πυρήνα που συντήκει άνθρακα θερμαίνει το κέλυφος μέχρι να είναι αρκετά ζεστό για να κάψει το ήλιο. Το ήλιο συντήκεται σε άνθρακα, ο οποίος είναι βαρύς και πέφτει στον πυρήνα παρέχοντας περισσότερο καύσιμο.

Δεν μπορούν όλα τα άστρα να δημιουργήσουν την πλήρη λίστα στοιχείων που αναφέρθηκαν παραπάνω. Όσο μεγαλύτερο είναι το άστρο, τόσο υψηλότερη θερμοκρασία μπορεί να φτάσει ο πυρήνας και τόσο πιο πιθανό είναι να μπορέσει να φτιάξει τα βαρύτερα στοιχεία. Ο ήλιός μας για παράδειγμα δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλος. Αυτή τη στιγμή συντήκει υδρογόνο για να φτιάξει ήλιο και κοντά στο τέλος της ζωής του θα καταφέρει πιθανώς να συντήξει ήλιο και να παράγει έναν πυρήνα άνθρακα· αλλά είναι απίθανο να φτάσει τις θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη σύντηξη άνθρακα.

Για άστρα με μάζα μικρότερη από 8 φορές τη μάζα του ήλιου, μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο καύση υδρογόνου και ηλίου, επειδή ο πυρήνας του άστρου δεν φτάνει ποτέ τη θερμοκρασία και την πυκνότητα που απαιτούνται για να ανάψει μια άλλη φάση καύσης. Αφού η διαδικασία καύσης ηλίου τελειώσει, απομένουν μόνο τα 2 εξωτερικά κελύφη: υδρογόνο στην άκρη, ήλιο λίγο πιο μέσα, και ο πυρήνας του άστρου. Ο πυρήνας αποτελείται από τον άνθρακα και το οξυγόνο που παράχθηκαν στην αντίδραση τριπλού άλφα. Στη συνέχεια παλμοί και ισχυροί αστρικοί άνεμοι προκαλούν την απομάκρυνση των εξωτερικών στρωμάτων δημιουργώντας ένα πλανητικό νεφέλωμα και αφήνοντας πίσω μια Λευκή Νάνο.

Σε άστρα μεγαλύτερα από 8 φορές τη μάζα του ήλιου, οι πυρηνικές διαδικασίες μπορούν να συνεχιστούν για πολύ περισσότερο, μέχρι την καύση πυριτίου, αφήνοντας έναν σιδερένιο πυρήνα. Όταν αυτό τελειώσει, το άστρο δεν μπορεί να υποστηρίξει το δικό του βάρος και τα εξωτερικά κελύφη πέφτουν γρήγορα στο άστρο, στη συνέχεια αναπηδούν από τον πυκνό πυρήνα σε ένα ισχυρό κύμα κρούσης, οδηγώντας στην χαρακτηριστική έκρηξη μιας υπερκαινοφανούς τύπου II, που αφήνει πίσω της ένα Αστέρα Νετρονίων.

Μέσω αυτών των ανέμων και εκρήξεων, τα φρέσκα στοιχεία που δημιουργούνται στα άστρα κατανέμονται ως νέφη αερίου και σκόνης στο διάστημα. Έτσι, τα άστρα είναι σαν εργοστάσια που παράγουν στοιχεία που αποτελούν τα δομικά υλικά για νέα άστρα, πλανήτες και τελικά για εμάς, τους ανθρώπους.

Μέσω πλανητικών νεφελωμάτων (αριστερά) και υπερκαινοφανών (δεξιά) τα στοιχεία που δημιουργούνται στα άστρα κατανέμονται στο διάστημα. Πηγές εικόνων: NASA

Το βαρύτερο στοιχείο που μπορούν να δημιουργήσουν τα άστρα είναι ο σίδηρος, μέσω πυρηνικών διαδικασιών σύντηξης που παράγουν το νέο στοιχείο και απελευθερώνουν ενέργεια. Ωστόσο, για στοιχεία βαρύτερα από τον σίδηρο, τα συστατικά είναι λιγότερο πρόθυμα να κολλήσουν μαζί. Για παράδειγμα, αν ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο προσπαθούσε να συντηκτεί με έναν θετικό πυρήνα, επειδή έχουν το ίδιο φορτίο και απωθούνται μεταξύ τους, αντί να παράγει ενέργεια, μια τέτοια διαδικασία θα κατανάλωνε στην πραγματικότητα ενέργεια. Για να επιτευχθούν αρκετά υψηλές ενέργειες ώστε να ξεπεραστούν αυτές οι δυνάμεις απώθησης, απαιτούνται όλο και υψηλότερες θερμοκρασίες.

Πώς λοιπόν δημιουργούνται βαρύτερα στοιχεία όπως ο χρυσός και το ουράνιο;

Ορισμένα από αυτά τα προβλήματα θα αποφευχθούν όταν κάποιος εξετάσει τα νετρόνια. Τα νετρόνια δεν έχουν φορτίο, οπότε μπορούν να συντηκτούν με έναν πυρήνα χωρίς να χρειαστεί να ξεπεράσουν την ηλεκτρική απώθηση. Αν οι πυρήνες συλλαμβάνουν νετρόνια, μπορούν να δημιουργηθούν πλουσιότεροι σε νετρόνια πυρήνες. Αν ένας πυρήνας γεμίσει υπερβολικά με νετρόνια, ορισμένα από τα νετρόνια θα μετατραπούν σε πρωτόνιο μέσω βήτα διάσπασης. Με αυτόν τον τρόπο παράγονται βαρύτερα στοιχεία.

Ωστόσο, μπορούν να λάβουν χώρα μόνο υπό πολύ συγκεκριμένες συνθήκες. Υπάρχουν δύο διαδικασίες που μαζί είναι γνωστές ως αστρική νουκλεοσύνθεση (δημιουργία πυρήνων στα άστρα).

Η αργή ή s-διαδικασία: Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια της καύσης ηλίου των Κόκκινων Γιγάντων. Σε αυτή τη φάση, υπάρχει αφθονία νετρονίων που συλλαμβάνονται από άλλους πυρήνες. Αυτή η διαδικασία είναι αργή επειδή παράγονται σχετικά λίγα νετρόνια και χρειάζονται εκατομμύρια χρόνια μέχρι να παραχθεί σημαντική ποσότητα βαριών στοιχείων. Αυτό παράγει στοιχεία όπως το ζιρκόνιο, που χρησιμοποιείται ως πολύτιμος λίθος ή σε καταλύτες. Τα στοιχεία που παράγονται με αυτόν τον τρόπο είναι συνήθως σταθερά επειδή η διαδικασία είναι αρκετά αργή ώστε να επιτρέπει στους πυρήνες να διασπαστούν μέχρι τη σταθερότητα πριν συλλάβουν άλλο νετρόνιο.

Η ταχεία ή r-διαδικασία: Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα κατά τη φάση υπερκαινοφανούς τύπου II. Σε αυτή την περίπτωση, τα νετρόνια παράγονται από τη συγχώνευση πρωτονίων και ηλεκτρονίων (σύλληψη ηλεκτρονίου σε πρωτόνια). Είναι ταχεία καθώς παράγεται μεγάλος αριθμός νετρονίων και χρειάζονται μόνο δευτερόλεπτα για να σχηματιστεί σημαντική ποσότητα βαριών στοιχείων. Έτσι δημιουργούνται στοιχεία όπως ουράνιο και χρυσός. Τα νέα στοιχεία σχηματίζονται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι μπορεί να συμβεί πυρηνική διάσπαση, οπότε τα στοιχεία που παράγονται με αυτόν τον τρόπο είναι συχνά ασταθή.

Οι κοσμικές ακτίνες που έρχονται από το εξωτερικό διάστημα ήταν τα πρώτα σωματίδια υψηλής ενέργειας που μελετήθηκαν ποτέ. Μερικές κοσμικές ακτίνες διαπερνούν το σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο, όπου κι αν βρίσκεστε. Είναι δύσκολο να προσδιοριστεί η ακριβής προέλευση των κοσμικών ακτίνων, επειδή ταξιδεύουν από όλες τις κατευθύνσεις. Πολλές προέρχονται από τον ήλιο μας, άλλες πιθανώς εκπέμφθηκαν από υπερκαινοφανείς. Οι κοσμικές ακτίνες που χτυπούν το εξωτερικό στρώμα της ατμόσφαιρας είναι κυρίως γρήγορα κινούμενα, υψηλής ενέργειας πρωτόνια. Καθώς εκτοξεύονται προς τη Γη, συγκρούονται με άτομα στον αέρα (κυρίως άζωτο και οξυγόνο), δημιουργώντας νέα σωματίδια που καταρρέουν στην επιφάνεια της Γης. Τα περισσότερα από αυτά τα νέα σωματίδια είναι ασταθή ισότοπα.

Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες ιστορίες στην ιστορία της Πυρηνικής Φυσικής ήταν η ανακάλυψη το 1972 ενός φυσικού πυρηνικού αντιδραστήρα που βρίσκεται στην Αφρική.

Ρουτίνες μετρήσεις που έγιναν σε δείγματα UF₆ από το Ορυχείο Oklo, στη Γκαμπόν, Κεντρική Αφρική, έδειξαν μια αναντιστοιχία στην ποσότητα του ισοτόπου ²³⁵U, σε σύγκριση με ουράνιο από άλλα ορυχεία. Χαμηλότερες συγκεντρώσεις και η παρουσία άλλων ισοτόπων όπως νεοδύμιο και ρουθήνιο υπονοούσαν ότι είχε πραγματοποιηθεί πυρηνική αντίδραση. Αυτό ήταν αινιγματικό, και μερικοί εικάζονταν ακόμα ότι αυτά τα απόβλητα είχαν αφεθεί από μια εξωγήινη πολιτισμό που είχε εναποθέσει τα ραδιενεργά απόβλητα από τις μηχανές του διαστημικού τους σκάφους εκεί.

Τελικά, διαπιστώθηκε ότι φυσικά εμφανιζόμενο ουράνιο είχε συγκεντρωθεί στα βράχια από γεωλογικές διαδικασίες σε τόσο υψηλές συγκεντρώσεις ώστε οι πυρηνικές αλυσιδωτές αντιδράσεις μπόρεσαν να ξεκινήσουν από μόνες τους περίπου δύο δισεκατομμύρια χρόνια πριν και διατηρήθηκαν για περίπου 1 εκατομμύριο χρόνια.

Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια πριν (πάνω αριστερά στην παρακάτω εικόνα), το Σύμπαν αποτελούνταν από ένα αέριο: καθαρό υδρογόνο και ήλιο χωρίς άλλα στοιχεία (πάνω κέντρο). Οι πυκνότερες περιοχές αυτού του αερίου τελικά κατέρρευσαν υπό τη δική τους βαρύτητα και παρήγαγαν άστρα (κέντρο δεξιά). Τα άστρα παράγουν στοιχεία (τα βαρύτερα είναι σίδηρος για τα περισσότερα άστρα) μέσα σε εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια χρόνια (κάτω). Στο τέλος της ζωής τους, τα άστρα διανέμουν τα δημιουργημένα στοιχεία στο διάστημα μέσω πλανητικών νεφελωμάτων και υπερκαινοφανών. Στοιχεία βαρύτερα από σίδηρο παράγονται κατά τη διάρκεια των υπερκαινοφανών (κέντρο αριστερά). Τα απελευθερωμένα στοιχεία σχηματίζουν νέα άστρα και η διαδικασία συνεχίζεται. Αυτός ο κύκλος πραγματοποιήθηκε αρκετές φορές πριν σχηματιστούν ο ήλιος και οι πλανήτες (πάνω δεξιά). Το ηλιακό σύστημα περιέχει στοιχεία που δημιουργήθηκαν σε προηγούμενες γενιές άστρων. Πηγή εικόνας: Behacker & Partner