Fúzió a Világegyetemben: csillagporból születtünk Understand article

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna. Henri Boffin és Douglas Pierce-Price az ESO (Garching, Németország) munkatársai, égi eredetünket kutatják.

<
Az atommagok fejlődése a
csillagokban

Mark Tiele Westra szíves
hozzájárulásával

Ha legközelebb egy könnyű esti séta közben a csillagokat csodálod, gondolj barátként ezekre a csillogó labdákra, amelyek csöndesen bolyonganak a hatalmas Világmindenségben. Hiszen, bizonyos értelemben, az őseidre nézel: minden ember és minden földi élőlény – de maga a Föld is – a csillagok gyermeke! A legtöbb elem, amely a testünket felépíti vagy lehetővé teszi, hogy éljünk – a szén, az oxigén, a nitrogén és még sok más elem – a csillagokban keletkezett. Még a fluor is, amelytől a fogaink erősek lesznek!

A Világmindenséget alkotó anyagnak durván a háromnegyede hidrogén, az egynegyede hélium. A többi elem nagyon kis mennyiségben van jelen, a csillagászok ezeket a nyomokban előforduló elemeket egyszerűen ‘fémekként’ emlegetik, még akkor is, ha ezek az elemek valójában nem fémek. A hidrogén és a hélium azonnal a Világmindenség keletkezése utáni percekben jött létre. Alig egy másodperccel az Ősrobbanás után megtörtént az az esemény, amely minden létező keletkezését lehetővé tette, a szabadon röpködő nagy energiájú részecskék protonokká és neutronokká, a később létrejövő atommagok alkotórészeivé ‘fagytak’ össze. A ‘fagyás’ relatív, ugyanis a hőmérséklet ebben a pillanatban is még több száz milliárd fok volt!

Az Ősrobbanás utáni első másodpercben olyan magas volt a hőmérséklet, hogy a protonok és a neutronok száma egyensúlyban volt. A hőmérséklet azonban hamarosan a kritikus érték alá süllyedt és megkezdődött a neutronok bomlása, amelynek során minden neutronból egy proton, egy elektron és egy antineutrino keletkezett. Ez az átalakulás azért volt lehetséges, mert a neutronoknak nagyobb a tömege, mint a protonoknak. A Világmindenség hamarosan neutron-mentessé vált volna, ha nem lett volna egy folyamat, amely ‘megőrizte’ ezeket a részecskéket: egy neutron és egy proton összekapcsolódott, létrehozva a deuteront, a deutérium atom magját.

A deutériumot nehéz hidrogénnek is szokták nevezni. A nehéz hidrogén leginkább arról lett híres, hogy a németek a II. Világháború idején ennek az anyagnak a felhasználásával próbáltak atombombát készíteni. A deuteronok képződése teszi lehetővé a nehezebb atommagok létrejöttét. Amikor két deuteron összeütközik, egy neutron és egy hélium-3 atommag keletkezik. Ez a könnyebb hélium atommag: két protonból és egy neutronból áll. Egy további lépéssel ebből jön létre a sokkal gyakoribb hélium-4 atommag, amely két protonból és két neutronból épül fel. A Világmindenségben létező csaknem összes neutron végül a közönséges hélium-4 atommagok alkotórészévé válik, azonban néhány hélium atommag nehezebb atommagokká kapcsolódik össze, így kevés lítium-7 atommag is létrejön.

Tehát három rész hidrogén, egy rész hélium-4, kevéske deutérium és hélium-3 és egy csipetnyi lítium. Az Ősrobbanás után néhány perccel már készen is volt a fantasztikus ‘kozmikus leves’, amelyben minden alapanyag rendelkezésre állt ahhoz, hogy felépülhessen a Világmindenség: a csillagok, a bolygók, sőt az élőlények is. Elképesztő, hogy olyan könnyű elkészíteni egy ilyen ’levest’, hogy azzal még egy kezdő szakács is bátran megpróbálkozhat. Az összetevők aránya csupán egyetlen paramétertől függ: a protonok és a neutronok kezdeti sűrűségétől. Ezeknek az elemeknek a csillagászok által mért mennyisége igen jó egyezést mutat az elmélet alapján számolt értékekkel. Ez az egyezés az egyik ‘koporsószöget’ jelentette az Ősrobbanás elmélet ellenzői számára.

De mi a helyzet a nehezebb elemekkel? Ha nem a Világegyetem első pillanataiban keletkeztek, akkor honnan származnak és mikor jöttek létre? A válasz a csillagokban rejlik.

A csillagok belsejében olyan magas a hőmérséklet és olyan nagy a nyomás, hogy az leküzdi az atommagok között fellépő taszítóerőt, és lehetővé teszi, hogy az atommagok egyesüljenek. A Science in School 3. számában olvashattunk arról, hogy a Nap energiája abból a folyamatból származik, amelynek során a Nap belső magjában a hidrogén atommagok hélium magokká egyesülnek (Westra, 2006). Minden csillagban ugyanez történik életének ‘fő szakaszában’, vagyis amikor hidrogént éget.

Az, hogy egy csillagban milyen mechanizmus során képződik hidrogénből hélium, a csillag tömegétől függ: azokban a csillagokban, amelyeknek a tömege megegyezik a Nap tömegével vagy annál kisebb, főként a ‘proton-proton lánc’ folyamat során alakul át a hidrogén héliummá (ld. az ábrát), a nagyobb tömegű csillagokban pedig a ‘CNO körfolyamat’ során. Ebben a folyamatban a szén (C), a nitrogén (N) és az oxigén (O) a katalizátor szerepét tölti be (ld. az ábrát).

A CNO körfolyamatnál ellentmondást érzünk: ha a szén, a nitrogén és az oxigén a csillagokban keletkezik, akkor hogyan játszhatják ezek ez elemek a katalizátor szerepét a hidrogénből héliummá alakulás folyamatában? Erre a kérdésre abból a tényből kapjuk meg a választ, hogy az új csillagok az előző csillaggenerációk maradványaiból keletkeznek. A legelső csillagok valóban csak hidrogénből és héliumból álltak, és ezek atommagjaiból jöttek létre a nehezebb atommagok. A csillag ‘halálakor’ a szupernóva-robbanás során ezek a nehezebb atommagok szétszóródnak a csillagközi térben. A csillagközi anyag, amelyből a következő generáció csillagjai formálódnak, egyre gazdagabbá válik szénben, nitrogénben és oxigénben. Bár ezek az atommagok kis mennyiségben vannak jelen, azonban a katalizátor szerep betöltéséhez ez a kevés atommag is elegendő.

A Dumbbell nebula, amely
nagyon ritka gázból áll. A
képen látható központi
csillag dobta le magáról
a gázt, fejlődésének utolsó
fázisában

Az ESO szíves hozzájárulásával

A csillag életének fő szakaszában, amely egyben a leghosszabb is, a hidrogén héliummá alakul. A csillag belsejében, ahol az égés történik, csökken a hidrogén mennyisége. A csillag a fejlődése során egyre nagyobb, hidegebb és vörösebb lesz – ‘vörös óriássá válik’. Rövid idő múlva a csillag magjában a hőmérséklet és a nyomás eléri azt a határértéket, amely megfelelő ahhoz, hogy új folyamatok induljanak be. Ekkor kezdődik a hélium égése. Két hélium atommag egyesülése során berillium atommag képződhet. Bár ezek az atommagok nem stabilak, vagyis gyorsan szétesnek, azonban közülük néhánynak mégis lehetősége van arra, hogy hélium atommagokkal ütközzenek és így szén atommagokat hozzanak létre. A végeredmény tehát az, hogy három hélium atommagból egy szén atommag keletkezik. Az így képződött szén atommagok egy része további hélium atommagokkal ütközve oxigén atommagokat hoznak létre. Így a nagy tömegű csillagok magjában a hélium szén és oxigén keverékévé alakul át.

A Napnál csupán néhányszor nagyobb csillagok esetében ez a véget jelenti. Amint a szén-oxigén mag kialakul, a csillag ledobja magáról a külső réteget, amelyből ‘planetáris köd’ alakul ki, a csillag pedig fehér törpévé alakul

A nagyobb tömegű csillagok számára azonban a kaland tovább folytatódik. Ezek a csillagok még így is olyan erős gravitációs mezőt keltenek, hogy ez a csillag magjának további zsugorodását okozza, ezért itt megnő a sűrűség és a hőmérséklet. Így lehetővé válik, hogy további nukleáris reakciók induljanak be, amelyek még nehezebb atommagok keletkezését eredményezik. Ilyen módon neon, magnézium, szilícium, majd később kén, klór és kalcium keletkezik. A felsorolt elemek mindegyikének atommagjában a nukleonok száma a négy egész számú többszöröse, tehát hélium atommagok összekapcsolódásával jöttek létre. Mivel a hélium atommag az alfa részecske, ezért ezeket az elemeket alfa elemeknek nevezik, és gyakrabban fordulnak elő, mint a többi nehezebb elem.

Azonban nemcsak a hélium atommag befogása útján képződhetnek nehezebb elemek. Az atommagok, ritkábban ugyan, de más részecskéket, például neutronokat, protonokat, deuteronokat is befoghatnak. Ilyen módon sokféle elem képződhet, például fluor vagy nátrium. Ezek az elemek azonban kisebb mennyiségben fordulnak elő.

Végül az alfa részecskék összekapcsolódásával nikkel-56 keletkezik. Ez az atommag – amely 28 protonból és 28 neutronból áll – nem stabil, spontán bomlás során vas-56 atommaggá alakul, amelynek 26 protonból és 30 neutronból álló stabil szerkezete van. Egészen eddig a pontig az összes folyamat, amely a csillagok belsejében végbemegy, energiát termel, így biztosítja a csillag életben maradását és ki tudja védeni a gravitáció hatását. Azonban a vas-56 atommag keletkezésénél erre már nem nyílik lehetőség. Mivel ez a legstabilabb létező atommag – ebben a legnagyobb az egy nukleonra jutó kötési energia – ezért a vas-56 csak úgy alakítható át más elemmé, ha energiát fektetünk be, ahelyett, hogy energiát nyernénk. A csillag már nem tudja nukleáris reakcióval fenntartani önmagát. Ezért ha egy nagy tömegű csillagban vasból álló belső mag alakul ki, akkor megjósolható, hogy a csillag összeomlik: a csillag nem tudja tovább kivédeni a gravitáció hatását. Összeomlik, az ezután bekövetkező visszalökődés és lökéshullám miatt egy hatalmas drámai robbanással ér véget az élete: ezt nevezik szupernóva-robbanásnak. A robbanás a csillagban keletkezett elemeket és azokat az elemeket, amelyek majd közvetlenül a halála előtt keletkeznek, kidobja a csillagközi térbe. Azonban ez már egy másik történet….

Egy zseniális jóslat

A ‘három-alfa folyamat’ (ld. az ábrát) egy példa a hélium befogásra. Ez két lépésből álló reakció, amelyben egy szén atommag képződik három hélium atommagból. Először két alfa részecske (hélium atommag) ütközése során egy berillium-8 atommag keletkezik. Ez nem stabil és nagyon gyorsan elbomlik. Tekintettel erre, csekély annak a valószínűsége, hogy a berillium-8 elbomlása előtt még egy harmadik hélium atommagot befogjon. Ahhoz, hogy a Világegyetemben jelentős mennyiségű szén keletkezzen, még valamilyen további tényező szükséges, amely megnöveli az esélyét az atommagok összekapcsolódásának.

Tudjuk azonban, hogy keletkezett szén – hiszen ha nem így lenne, akkor mi emberek nem lehetnénk itt, és nem létezhetne élet a Földön, és így nem beszélgethetnénk erről és nem olvashatnánk ezt a cikket sem. Ezen egyszerű és alapvető megfontolásból kiindulva, a híres brit csillagásznak Fred Hoyle-nak (1915-2001) támadt egy jellemzően zseniális ötlete, amellyel megjósolta, hogy kell lennie egy olyan tényezőnek, amely segíti a folyamatot. A tudósok laboratóriumi kísérleteket végeztek és bizony felfedeztek egy eddig ismeretlen ‘rezonanciát’, egy egyezést a berillium-8 és a hélium-4 atommagok és a belőlük létrejövő szén-12 atommagok energiaszintjei között. Ez a rezonancia nagymértékben növeli a sikeres összekapcsolódások valószínűségét, éppen úgy, ahogy azt Hoyle megjósolta. Ez egy lenyűgöző példa arra, hogy csupán arra a tapasztalatra, hogy a tudósok (ill. maga az élet) létezik, tudományos jóslatot lehet alapozni. Ezen érdemes elgondolkozni.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • További információkat találhat az ESO-ról és oktatási programjairól (European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, Európai Szervezet a Déli Féltekén Folytatott Csillagászati Kutatásokért) a következő hon-lapon: www.eso.org/public/outreach/eduoff/

Institution

ESO

License

CC-BY-NC-ND