Hungary

Leegyszerűsítve a dolgokat, csillagok nélkül nem léteznénk. De nemcsak mi, hanem semmilyen más életforma sem létezne. De miért annyira alapvetőek a csillagok?

A legkézenfekvőbb válasz természetesen az energia. A csillagok magreakciók segítségével az élet számára szükséges energiát termelnek. Ha a csillagok nem alakultak volna ki a Világegyetemben, akkor örökké tartó sötétség és elképzelhetetlen hideg (-273˚C-hoz közeli) uralkodna mindenhol. Napunk milliárd wattnyi energiát bocsát ki, amellyel felmelegíti a Földet biztosítva a folyékony vízhez, így az élethez is a szükséges hőmérsékletet.

Talán ennél is fontosabb, hogy a csillagok létrehozzák az élet alapját jelentő elemeket. A testünket alkotó molekulák legtöbbje szénből épül fel. Szükségünk van a vizet alkotó oxigénre, a csontokat felépítő kálciumra, a vérben vasra és így tovább. Mindezek az elemek a csillagokban keletkeztek és keletkeznek. Amikor egy csillag meghal, akkor ezek az elemek az űrbe távoznak, hogy ott megalkossák mindazokat az anyagokat, amelyeket itt a Földön ismerünk. Szó szerint mindannyian a csillagokból származunk!

A csillagok életük nagy részében hidrogént égetnek, azaz hidrogénatommagokból héliumatommagokat hoznak létre. Ez két úton mehet végbe. Az egyiket pp-ciklusnak, a másikat pedig CNO-ciklusnak hívják.

A hidrogénégető csillagokat fősorozatbelieknek nevezik, amiről az előző fejezetben már hallottunk. Napunk fősorozatbeli csillag, amely energiájának nagy részét a pp-ciklus (98,5%) és egy kisebb részét (1,5%) a CNO-ciklus során termeli. A Nap tömegéhez hasonló csillagok esetén ilyen a két folyamat aránya körülbelül. A pp-ciklus a domináns olyan csillagok esetén, amely a Nap tömegének 0,5-1-szeresével rendelkezik. Ennél nagyobb tömegű csillagoknál a CNO-ciklus válhat meghatározóvá. Eddig a Nap a központjában található hidrogénnek kb. a felét használta el, és nagyjából 4,5 milliárd éves.

A pp-ciklus mindig két hidrogénatommaggal indul, és hélum-4 atommagot hoz létre. A hidrogénatommagok (amelyek egy-egy elektron hozzáadásával hidrogénatomot alkotnának) tulajdonképpen protonok (p). Tehát a két proton egyesülésével deuteron jön létre, miközben egy pozitron és egy neutrínó kibocsátása történik meg, ahogyan egy proton neutronná alakul. Az így keletkezett deuteron egy újabb protonnal találkozva a hélium egy izotópját, a hélium-3-at hozza létre miközben egy foton eltávozik.

Ez mindaddig folytatódik az egész csillag térfogatában, amíg viszonylag nagyszámú hélium-3 atommag nem jön létre. Innentől három úton mehetünk tovább a hélium-4 létrehozása felé. A ppI-ág a Nap energikibocsátásának 86 százalékáért felelős, ahol két hélium-3 atommag egyesül hélium-4-et létrehozva és protonokat kibocsátva, amelyek újrahasználhatók a pp-ciklusban.

A ppII-ág a Nap energiakibocsátásának 14 százalékát adja. Ekkor egy hélium-3 egyesül egy már létező hélium-4-el berillium-7 atommagot és egy fotont létrehozva. Azonban a berillium-7 instabil, ezért elektronbefogással elbomlik, azaz egy elektronnal egyesülve lítium-7 atommagot és egy neutrínót hoz létre. Végül a lítium-7 egy deuteronnal hoz létre magreakciót és két hélium-4 keletkezik a folyamat során.

A ppIII-ág a Nap energiakibocsátásnak csupán 0,02 százalékáért felelős. Itt az instabil berillium-7 egyesül egy protonnal és bór-8 illetve foton keletkezik. A bór-8 nagyon instabil, ezért gyorsan bomlik, így a berillium egy másik izotópja, a berillium-8 jön létre, miközben egy pozitron és egy neutrínó is kibocsátásra kerül. A berillium-8 pedig két hélium-4-re esik szét.

A CNO rövidítés a ciklusban szereplő főbb elemek angol nevének kezdőbetűjéből származik (carbon=szén, nitrogen=nitrogén, oxygen=oxigén). A CNO-ciklusban ezek az elemek katalizátorok, amelyek a héliumgyártást segítik elő.
Creative Commons License
A folyamatban egy proton egyesül egy szén-12 atommaggal és egy nitrogén-13 atommag illetve egy foton keletkezik. A nitrogén-13 béta-bomlása során szén-13, egy pozitron és egy neutrínó jön létre. Ezután a szén-13 egyesül egy másik protonnal létrehozva egy nitrogén-14-et (és egy fotont), amely egy újabb protonnal fúzióra lépve egy oxigén-15 atommagot (és egy fotont) alakít ki. Azonban az oxigén-15 pozitív béta-bomlás során nitrogén-15-é, pozitronná és neutrínóvá alakul. A nitrogén-15 pedig végül egy protonnal egyesülve két hélium-4 és egy szén-12 atommagot hoz létre, tehát a ciklus kezdődhet előről.

A pp-ciklus és a CNO-ciklus magreakciói által a Napban keletkező melléktermékekről/részecskékről még szót kell ejtenünk. Nyilvánvaló, hogy a legtöbb energiát fotonok formájában sugározza ki a Nap, amelyet napfényként érzékelünk. Azonban rengeteg neutrínó is keletkezhet a magfizikai folyamatokban.

A neutrínók a fizikusok számára nagyon érdekesek: igen rendkívüli részecskék. A neutrínók sok energiát szállítanak, de nagyon gyengén hatnak kölcsön más anyagokkal. Nincs elektromos töltésük, nagyon kicsik, szinte nulla a tömegük. Olyan könnyen szelik át a tárgyakat, ahogyan a fénysugarak mennek át a tiszta ablaküvegen. A neutrínók szinte akadálytalanul jutnak el a Nap középpontjából a Földre körülbelül 8 perc alatt.

Elképesztően bonyolult berendezések segítségével a tudósok képesek arra, hogy földalatti laboratóriumokban, ahol a zavaró felszíni háttérsugárzás nincs jelen, detektálják ezeket a neutrínókat. Ezáltal információkat nyerhetünk arról, hogy mi történik a Nap belsejében, ahol ezek a részecskék keletkeztek.

A Japánban található Super-Kamiokande neutrínódetektor víztartályának falát ezernyi, strandlabda nagyságú fotondetektor fedi. Néha egy Napból származó neutrínó a vízmolekulákkal kölcsönhatásba lép. Ennek hatására fotonok keletkeznek, amelyeket egy vagy több detektorral észlelni lehet. Forrás: Kamioka Laboratórium, ICRR Tokió

A tudósok a neutrínó létezését jóval a felfedezése előtt megjósolták, sőt még azt is képesek voltak előre jelezni, hogy a Nap másodpercenként mennyi neutrínót bocsát ki, és ebből mennyit lehet detektálni a Földön. Azonban amikor ezt az előrejelzést ellenőrizték egy kísérletben az 1960-as években, igen nagy eltérést tapasztaltak attól, amit vártak. Hosszú évekig úgy gondolták a kutatók, hogy az általuk kidolgozott Napmodellel valamilyen probléma van, hisz az elméletileg számolt neutrínómennyiségnek csak a harmadát-felét észlelték a földi detektorok. Ezt Napneutrínó problémának nevezték.

Ahhoz hogy megértsük ennek a problémának a megoldását, tudnunk kell, hogy a neutrínóknak három fajtája (íze) van: elektron-, müon- és tauneutrínó. A Napban a magreakciók csak elektronneutrínót hoznak létre. Ha feltételezzük, hogy ezek az elektronneutrínók valahogyan átalakulnak müon- és tauneutrínókká a Földig tartó útjuk során, akkor ez magyarázatként szolgálhat a hiányzó neutrínómennyiségre.
Source: SNO

2002-ig a földi neutrínódetektorok csak elektronneutrínókat voltak képesek észlelni. A müonneutrínókat egyetlen kísérletben sem tudták detektálni az 1960-as évek óta. Azonban a kanadai Sudbury Neutrínóobszervatórium (SNO) új detektorának segítségével 2002-ben lehetségessé vált az elektron- és müonneutrínók együttes észlelése. Ekkor sikerült bebizonyítani, hogy a különböző fajtájú neutrínók átalakulhatnak egymásba. Sőt az elektron- és müonneutrínók detektált együttes mennyisége pont megfelelt annak, amit a Napmodellből vártak, így a Napneutrínó probléma is megoldódott.

A fotón a kanadai SNO földalatti laboratórium nehézvízzel töltött tartálya látható. Ez a kísérlet képes volt az elektron- és müonneutrínókat is detektálni, így segítségével megoldódott a Napneutrínó probléma. Forrás: Sudbury Neutrínó Obszervatórium.

Egy fősorozatbeli csillag életének vége felé, amikor kifogy a hidrogénből, akkor a hidrogénfúzió leáll. Mivel a saját gravitációját nem ellensúlyozza az így megszakadt energiatermelés, a csillagmag elkezd összeroskadni, ezáltal a nyomás és a hőmérséklet nő.

Forrás: Behacker & Partner
Egy idő után a csillagmag hőmérséklete elég magas lesz ahhhoz, hogy a héliumégés beinduljon. Ennek következményeként a külső rétegek kitágulnak és a megtermelt energia sokkal nagyobb felületen oszlik el, így a csillag halványabb lesz, vörösebbnek látszik. Ezért nevezzük ezeket a csillagokat életük alkonyán vörös óriásnak.

A héliumfúzió kulcsfolyamata a tripla-alfa reakció, amelynek mellékterméke szén és oxigén. A szén alapvető az élet számára, hiszen képes arra, hogy létrehozza a bonyolult DNS és proteinmolekulákat. Az oxigén is ugyanennyire fontos, hisz a vízre is szükség van az élethez, és a vízmolekula egyik alkotóeleme az oxigén (H2O). Ez egyértelmű hisz az élet egyáltalán nem jelenik meg, vagy csak nagyon elvétve olyan helyeken, ahol nincs elegendő víz, mint például a sivatagokban vagy a Marson.
A szén a héliumégés egyik egyedi magfizikai folyamatában, az úgynevezett tripla-alfa reakcióban keletkezik. Ez egy kétlépéses folyamat, amelyben először két héliumatommag (alfa-részecske) egyesül berillium-8 (8Be) atommaggá.
Creative Commons License
A második lépésben, egy másik alfa-részecske csatlakozik a 8Be-hoz létrehozva a szén-12 (12C) atommagot. Azonban a két alfa-részecske közötti kötés, amelynek eredménye a 8Be, nagyon gyenge, így nagyon gyorsan (kb. 10-16s alatt) szétbomlik. Bomlása előtt a 8Be csak azért képes befogni a harmadik alfa-részecskét, mert ezt a folyamatot felerősíti egy úgynevezett rezonancia a 12C atommagban, amely jelentősen megnöveli a harmadik alfa-részecske befogásának valószínűségét.

Ennek a rezonanciának a létezését és részletes leírását a brit kutató Fred Hoyle (1915–2001) jósolta meg csupán abból kiindulva, hogy enélkül a széntermelés a csillagokban nem lenne elegendő a élet megjelenéséhez. Már két évvel az előrejelzése után meg is találták a rezonanciát egy laboratóriumi kísérletben. A tripla-alfa folyamat egyedisége abból is látszik, hogy ez az egyetlen eset, amelyben egy laboratóriumi kísérlet kimenetelét helyesen lehetett megjósolni annak alapján, hogy létezünk.

Sir Fred Hoyle nemcsak számos elméleti elgondolásáról ismert, de tudományos-fantasztikus íróként is. Az elfogadott Nagy Bumm elmélettel szemben, ő úgy gondolta, hogy a Világegyetem "állandósult állapotban" van, és tágulása az új anyag létrejötte miatt történt. Ironikus, hogy ő volt az, aki a "Nagy Bumm" elnevezést először használta egyik kritizáló cikkében, amelyben gúnyt akart űzni az elmélet támogatóiból, de végül ellenfelei annyira találónak tartották a kifejezést, hogy széles körben el is terjesztették.

Fred Hoyle 12C rezonanciával kapcsolatos jóslata és annak felfedezése nyomán a többi elgondolása is előtérbe került. Ezek között volt a csillagokban zajló nukleoszintézis felvetése, amelyben azt állította, hogy az összes, természetben megtalálható elem a csillagokban, hidrogénből keletkezett.

Amikor a hélium is elfogy a csillag közepén, akkor a csillagmag újra összehúzódik, ami a sűrűséget és a hőmérsékletet megemeli, és beindulhat a szén égése. Ez egy ismétlődő folyamat: amint az egyik üzemanyag kifogy, következik az összehúzódás és az előző égés termékeinek, azaz a következő üzemanyagnak a begyújtása. Így jönnek egymás után az előrehaladott égési fázisok: szén-, oxigén-, neon- és szilíciumégés. A szilíciumégés, amely leginkább vasat termel, a csillag utolsó égési fázisa. Ekkor a nukleáris égési folyamat megáll, mert a vas és a nehezebb elemek fúziója már nem tud energiát termelni.
Richard Pogge, OSU.edu

A képen egy nagy tömegű csillag magját láthatjuk a szilíciumégés végén. A mag tipikus sugara ~REarth, míg a köpenyé ~5AU. Forrás: Richard Pogge, OSU.

A csillag közepén zajló magfizikai égési folyamatokat a köpenyben folyó égés kíséri. A köpenyégés a korábbi központban történő égési fázishoz hasonló, és az előrehaladott központi égéssel egyidőben, a központ körül koncentrikusan elhelyezkedő rétegekben folyik, ahol a hőmérséklet és a nyomás nem olyan nagy, de könnyebb atommagokat tartalmazó üzemanyag még rendelkezésre áll. Például amikor a csillagmagban már a szénfúzió fut, a köpenyben még van valamennyi hélium. A magban folyó szénfúzió annyira felfűti a köpenyt is, hogy ott a héliumégés beindulhat. A héliumégés szenet termel, amely nehéz és a magba hullik, ahol üzemanyagként felhasználásra kerül.

Nem minden csillag képes az itt említett összes elem létrehozására. Minél nagyobb a csillag, annál nagyobb hőmérséklet kialakulására van esély a magban, ez a nehezebb elemek kialakítását segíti elő. A Napunk nem különösebben nagy. Jelenleg hidrogént alakít héliummá, és élete vége felé valószínűleg képes lesz héliumfúzióval szénmagot létrehozni. Arra azonban nagyon kicsi az esélye, hogy megfelelő hőmérsékletet érjen el a magja ahhoz, hogy a szénfúzió beinduljon.

Azok a csillagok, amelyek tömege a Nap tömegének 8-szorosánál kisebb csak hidrogén- és héliumégést valósítanak meg, mert csillagmagjuk hőmérséklete és nyomása nem elegendő az újabb égési fázisok begyújtásához. A héliumégés után a csillagmagon kívül csak két külső réteg van: hidrogénréteg kívül és héliumréteg egy kicsit beljebb. A mag szenet és oxigént tartalmaz, amely elemek a tripla-alfa folyamatban jöttek létre. Az összehúzódás és a csillagszél hatására a külső rétegek ledobódnak és egy fehér törpe keletkezik.

Azokban a csillagokban, amelyek tömege a Nap tömegének 8-szorosánál nagyobb a magfizikai folyamatok tovább fennmaradnak, a csillag eljut a szilíciumégésig, vasmag keletkezik. Amikor a szilíciumégés is leáll, a csillag nem tudja saját súlyát megtartani, és a külső rétegek zuhanni kezdenek a mag felé. Azonban ezt a zuhanást a sűrű csillagmag megállítja és visszaveri a rétegek anyagát, igen erős lökéshullámot létrehozva, ami a jellegzetes, II. típusú szupernóvarobbanásához vezet, és egy neutroncsillag keletkezik.

A csillagszél és a robbanások által a csillagban frissen létrejött elemek gáz- és porfelhő formájában az űrbe távoznak. Tehát a csillagok tulajdonképpen olyan gyárak, amelyek az új csillagok, bolygók és végsősoron az emberek építőköveit gyártják.

Source: NASA

A planetáris ködök (bal oldal) és a szupernóvák (jobb oldal) a csillagokban keletkezett elemeket juttatják az űrbe. Forrás: NASA

A csillagokban az új elemeket termelő és energiakibocsátással járó fúziós reakciókkal a legnehezebb létrehozható elem a vas. Azonban a vasnál nehezebb elemek esetén ez nem járható út, mert az összetevők nem akarnak egymáshoz társulni. Például egy pozitív töltésű proton egy pozitív töltésű atommaggal történő elképzelt fúziójakor a hasonló előjelű töltések taszítják egymást, ezért energiatermelés helyett egy ilyen folyamat energiabefektetéssel jöhet csak létre. Ahhoz, hogy ezt a taszítást legyőzzük nagyobb energiára van szükségünk, amelyet egyre nagyobb hőmérsékletekkel lehet elérni.

Akkor hogyan keletkeztek az olyan nehéz elemek, mint az arany és az uránium?

A fenti problémákat ki lehet küszöbölni, ha neutronokkal dolgozunk. Mivel a neutronoknak nincs töltésük, nem kell legyőzniük a taszítást, tehát nagyobb az esélyük a fúzióra egy másik atommaggal. Ha egy atommag neutront fog be, akkor neutronban gazdagabb atommag keletkezik. Azonban ha egy atommag túltelítődik neutronokkal, akkor néhány neutron protonná alakul béta-bomlás során. A nehezebb elemek így jönnek létre.

Azonban ezek a reakciók csak nagyon különleges feltételek között valósulnak meg. Két ilyen, a csillagokban zajló nukleoszintézishez tartozó folyamatot ismerünk.

A lassú (angolul slow) vagy s-folyamat: Ez a vörös óriásokban a héliumégéskor zajlik. Ebben az égési fázisban elég sok neutron van jelen, amelyeket befoghatnak más atommagok. Ezt azért nevezzük lassú folyamatnak, mert a neutronok mennyisége viszonylag kicsi, és millió évekbe telik, amíg jelentős mennyiségű nehéz elem termelődik. Például cirkónium is létrejön ilyenkor, amely ékkőként ismert, illetve az autók katalizátorában is használatos. Ez a folyamat a stabilitási sávhoz közel zajlik, mivel a lassú lefolyása miatt elegendő idő áll a rendelkezésre a bomláshoz mielőtt az atommag újabb neutront fogna be.

A gyors (angolul rapid) vagy r-folyamt: Ez a II. típusú szupernóvarobbanásban zajlik. Ebben az esetben a neutronok a protonok és elektronok egyesülésével (elektronbefogással) jönnek létre. Azért nevezzük gyors folyamatnak, mert nagymennyiségű neutron van jelen, és csak másodpercekbe telik, hogy sorozatos neutronbefogással sok nehéz elem keletkezzen. Az uránium és az arany is ilyen módon termelődik. Ez a folyamat a stabilitási sávtól messze zajlik, mivel a keletkező izotópok olyan gyorsan termelődnek, hogy nincs idő a bomlásra egy újabb neutron befogása előtt.

Az űrből származó kozmikus sugárzás összetevőit vizsgálva a kutatók itt találkoztak először nagy energiájú részecskékkel. Függetlenül attól, hogy hol vagyunk a Földön, minden másodpercben néhány kozmikus részecske szeli át a testünket. Meglehetősen nehéz megmondani, hogy a kozmikus sugárzás honnan származik, mivel minden irányból ér minket. Nagy részük a Napból jön, mások eredete valószínűleg a szupernóvákban keresendő. A külső légkörbe érő kozmikus részecskék legtöbbje gyors, nagy energiájú proton. A Föld felé tartva a levegő atomjaival (nitrogén és oxigén) ütköznek, és újabb részecskéket keltenek, amelyek záporként hullanak a Föld felszínére. A létrejött részecskék legtöbbje instabil.

Az atommagfizika egyik legérdekesebb története az 1972-ben Afrikában felfedezett természetes atomreaktor.

Forrás: John de Laeter Centre
A Közép-Afrikai Gabonban található Oklo bányában UF6 mintákon történt rutinmérések a 235U izotóp gyakoriságának kissé eltérő értékét mutatták más bányákban vizsgált mintákhoz képest. Az alacsonyabb koncentráció illetve más elemek, mint a neodínium és ruténium, jelenléte magreakciók lejátszódására utalt. Ez olyannnyira rejtélyes volt, hogy egyesek szerint egy idegen civilizáció űrhajója rakta ki radioaktív hulladékát ezen a helyen.

Valójában azonban a természetes uránium koncentrációja növekedett meg a kövekben geológiai folyamatok során annyira, hogy magfizikai láncreakció indult be két milliárd évvel ezelőtt, és mintegy 1 millió évig fenn is maradt.

A Nagy Bumm után (fölül baloldalt), 13,7 milliárd évvel ezelőtt a Világegyetem gázból állt: tiszta hidrogénből és héliumból más elemek nélkül (fölül középen). A sűrűbb részek a saját gravitációs hatásuk miatt összehúzódtak, és kialakultak a csillagok (középen jobboldalt). A csillagok elemeket hoznak létre (a csillagok többsége a vasat, mint legnehezebbet) millió-milliárd évek alatt (alul). Életük végén a csillagok szupernóvarobbanásokban és planetáris köd formájában az űrbe bocsátják a megtermelt elemeket. A vasnál nehezebb elemek szupernóvarobbanásokban keletkeznek (középen baloldalt). A kibocsátott elemek új csillagokat hoznak létre és a körforgás folytatódik. Ez a ciklus jópárszor lejátszódott mielőtt a Nap és a Naprendszer bolygói kialakultak volna (fölül jobboldalt). A Naprendszer előző generációs csillagok anyagát tartalmazza.
Forrás: Behacker & Partner

Tesztelje magát!
1. Melyik a legnehezebb elem, amelyet egy csillag magfúzió segítségével létre tud hozni?
  1. Oxigén
  2. Szilícium
  3. Vas
  4. Kálium
2. A Napunk leginkább melyik folyamatban termeli az energiát?
  1. pp-ciklus
  2. CNO-ciklus
  3. Tripla-alfa folyamat
3. Melyik a három neutrínóíz?

4. Melyik az az 1960-as években felfedezett neutrínó, amely a Napneutrínó probléma alapjául szolgált?
Kérem a válaszokat ...
1.c 2.a 3.elektron, müon és tau 4.az elektroneutrínó