Stellare Nukleosynthese Wie Sterne alle Elemente bilden

Die stellare Nukleosynthese ist der Prozess, bei dem Elemente innerhalb von Sternen erzeugt werden, indem die Protonen und Neutronen aus den Kernen der leichteren Elemente zusammengefügt werden. Alle Atome im Universum begannen als Wasserstoff. Die Fusion innerhalb von Sternen wandelt Wasserstoff in Helium, Wärme und Strahlung um. Schwerere Elemente entstehen in verschiedenen Arten von Sternen, wenn sie sterben oder explodieren.

Geschichte der Theorie

Die Idee, dass Sterne Atome von Lichtelementen miteinander verschmelzen, wurde erstmals in den 1920er Jahren von Einsteins starkem Befürworter Arthur Eddington vorgeschlagen. Der eigentliche Verdienst, daraus eine kohärente Theorie zu entwickeln, gilt jedoch Fred Hoyles Arbeiten nach dem Zweiten Weltkrieg. Hoyles Theorie enthielt einige signifikante Unterschiede zur aktuellen Theorie, insbesondere, dass er nicht an die Urknalltheorie glaubte, sondern dass stattdessen kontinuierlich Wasserstoff in unserem Universum erzeugt wurde. (Diese alternative Theorie wurde als Steady-State-Theorie bezeichnet und geriet beim Nachweis der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung in Ungnade.)

Die frühen Sterne

Der einfachste Atomtyp im Universum ist ein Wasserstoffatom, das ein einzelnes Proton im Kern enthält (möglicherweise hängen auch einige Neutronen heraus), um das Elektronen kreisen. Es wird angenommen, dass sich diese Protonen nun bei der unglaublich hohen Energie gebildet haben Quark-Gluon-Plasma des sehr frühen Universums verloren genug Energie, dass Quarks anfingen, sich zu Protonen (und anderen Hadronen, wie Neutronen) zu verbinden. Wasserstoff bildete sich ziemlich sofort und sogar Helium (mit Kernen, die 2 Protonen enthielten) bildete sich in relativ kurzer Reihenfolge (Teil eines Prozesses, der als Urknall-Nukleosynthese bezeichnet wird)..

Als sich dieser Wasserstoff und dieses Helium im frühen Universum zu bilden begannen, gab es einige Gebiete, in denen er dichter war als in anderen. Die Schwerkraft übernahm und schließlich wurden diese Atome in der Weite des Weltraums zu massiven Wolkengasen zusammengezogen. Sobald diese Wolken groß genug waren, wurden sie durch die Schwerkraft mit ausreichender Kraft zusammengezogen, um die Verschmelzung der Atomkerne in einem als Kernfusion bezeichneten Prozess zu bewirken. Das Ergebnis dieses Fusionsprozesses ist, dass die beiden Ein-Protonen-Atome nun ein einziges Zwei-Protonen-Atom gebildet haben. Mit anderen Worten, zwei Wasserstoffatome haben ein einziges Heliumatom gebildet. Die dabei freiwerdende Energie ist es, die die Sonne (oder jeden anderen Stern) zum Brennen bringt.

Es dauert fast 10 Millionen Jahre, bis der Wasserstoff verbrannt ist. Dann wird es heiß und das Helium beginnt zu schmelzen. Die stellare Nucleosynthese erzeugt weiterhin immer schwerere Elemente, bis Eisen entsteht.

Die schwereren Elemente erschaffen

Das Verbrennen von Helium zu schwereren Elementen dauert dann etwa 1 Million Jahre. Es wird größtenteils über den Triple-Alpha-Prozess, bei dem drei Helium-4-Kerne (Alpha-Partikel) umgewandelt werden, zu Kohlenstoff verschmolzen. Der Alpha-Prozess kombiniert dann Helium mit Kohlenstoff, um schwerere Elemente zu erzeugen, aber nur solche mit einer geraden Anzahl von Protonen. Die Kombinationen gehen in dieser Reihenfolge vor:

1. Kohlenstoff plus Helium erzeugt Sauerstoff.
2. Sauerstoff plus Helium produziert Neon.
3. Neon plus Helium produziert Magnesium.
4. Magnesium plus Helium produziert Silizium.
5. Silizium plus Helium produziert Schwefel.
6. Schwefel plus Helium produziert Argon.
7. Argon plus Helium produziert Kalzium.
8. Calcium plus Helium produziert Titan.
9. Titan plus Helium produziert Chrom.
10. Chrom plus Helium produziert Eisen.

Andere Fusionswege erzeugen die Elemente mit einer ungeraden Anzahl von Protonen. Eisen hat einen so eng gebundenen Kern, dass es keine weitere Fusion mehr gibt, sobald dieser Punkt erreicht ist. Ohne die Hitze der Fusion bricht der Stern zusammen und explodiert in einer Schockwelle.

Der Physiker Lawrence Krauss merkt an, dass es 100.000 Jahre dauert, bis der Kohlenstoff zu Sauerstoff wird, 10.000 Jahre, bis der Sauerstoff zu Silizium wird, und eines Tages, bis das Silizium zu Eisen wird und den Zusammenbruch des Sterns ankündigt.

Der Astronom Carl Sagan in der Fernsehserie "Cosmos" bemerkte: "Wir sind aus Sternen gemacht." Krauss stimmte zu und erklärte, dass "jedes Atom in Ihrem Körper einmal in einem Stern war, der explodierte ... Die Atome in Ihrer linken Hand stammten wahrscheinlich von einem anderen Stern als in Ihrer rechten Hand, weil 200 Millionen Sterne explodiert sind, um die Atome in Ihrem zu bilden Körper."