Stellaire nucleosynthese: hoe sterren alle elementen maken

Hoe elementen uit waterstof en helium worden gemaakt

ROGER HARRIS/WETENSCHAP FOTOBIBLIOTHEEK/Getty Images

Stellaire nucleosynthese is het proces waarbij elementen in sterren worden gecreëerd door de protonen en neutronen samen uit de kernen van lichtere elementen. Alle atomen in het universum zijn begonnen als waterstof. Fusie in sterren zet waterstof om in helium, warmte en straling. Zwaardere elementen worden gecreëerd in verschillende soorten sterren als ze sterven of exploderen.

Geschiedenis van de theorie

Het idee dat sterren de atomen van lichte elementen samensmelten, werd voor het eerst voorgesteld in de jaren 1920, door Arthur Eddington, een groot voorstander van Einstein. De echte eer voor de ontwikkeling ervan tot een coherente theorie wordt echter gegeven aan het werk van Fred Hoyle in de nasleep van de Tweede Wereldoorlog. Hoyle's theorie bevatte enkele significante verschillen met de huidige theorie, met name dat hij niet geloofde in de oerknaltheorie maar in plaats daarvan werd er voortdurend waterstof gecreëerd in ons universum. (Deze alternatieve theorie heette a stabiele toestand theorie en viel uit de gratie toen de kosmische achtergrondstraling van de microgolf werd gedetecteerd.)

De vroege sterren

Het eenvoudigste type atoom in het universum is een waterstofatoom, dat een enkel proton in de kern bevat (mogelijk met enkele neutronen die er ook uit hangen) met elektronen die om die kern cirkelen. Deze protonen worden nu verondersteld te zijn gevormd toen de ongelooflijk hoge energie quark-gluon plasma van het zeer vroege heelal genoeg energie verloren dat quarks begonnen zich aan elkaar te hechten om protonen te vormen (en andere hadronen , zoals neutronen). Waterstof vormde vrijwel onmiddellijk en zelfs helium (met kernen die 2 protonen bevatten) vormde zich in relatief korte tijd (onderdeel van een proces dat Big Bang-nucleosynthese wordt genoemd).

Toen deze waterstof en helium zich in het vroege heelal begonnen te vormen, waren er sommige gebieden waar het dichter was dan in andere. De zwaartekracht nam het over en uiteindelijk werden deze atomen samengetrokken tot massieve gaswolken in de uitgestrektheid van de ruimte. Toen deze wolken eenmaal groot genoeg werden, werden ze door de zwaartekracht met genoeg kracht samengetrokken om de atoomkernen daadwerkelijk te laten samensmelten, in een proces dat kernfusie . Het resultaat van dit fusieproces is dat de twee één-protonatomen nu één enkel twee-protonatoom 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 andere ster dan ook) verbrandt.

Het duurt bijna 10 miljoen jaar om de waterstof te verbranden en dan warmt de boel op en begint het helium te smelten. Stellaire nucleosynthese blijft steeds zwaardere elementen creëren totdat je ijzer krijgt.

De zwaardere elementen maken

De verbranding van helium om zwaardere elementen te produceren gaat dan ongeveer 1 miljoen jaar door. Grotendeels wordt het gefuseerd tot koolstof via het triple-alpha-proces waarbij 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:

1. Koolstof plus helium produceert zuurstof.
2. Zuurstof plus helium produceert neon.
3. Neon plus helium produceert magnesium.
4. Magnesium plus helium produceert silicium.
5. Silicium plus helium produceert zwavel.
6. Zwavel plus helium produceert argon.
7. Argon plus helium produceert calcium.
8. Calcium plus helium produceert titanium.
9. Titanium plus helium produceert chroom.
10. Chroom plus helium produceert ijzer.

Andere fusieroutes creëren de elementen met oneven aantallen protonen. IJzer heeft zo'n strak gebonden kern dat er geen verdere fusie is als dat punt eenmaal is bereikt. Zonder de fusiewarmte 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 veranderd, 10.000 jaar voordat de zuurstof in silicium is verbrand en op een dag voordat het silicium in ijzer is verbrand en de ineenstorting van de ster wordt aangekondigd.

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, want 200 miljoen sterren zijn geëxplodeerd om de atomen te vormen in je lichaam.'