Solen genererer omkring 400 milliarder milliarder megawatt strøm, og den har gjort det i fem milliarder år. Kernefusion - ved at kombinere lettere atomer for at gøre det tungere - er det, der gør det muligt.
Solen genererer omkring 400 milliarder milliarder megawatt strøm, og det har det gjort i fem milliarder år. Hvilken energikilde er i stand til denne form for magt? Bemærkelsesværdigt er, at motoren fra de mægtigste stjerner ikke er noget enormt, men snarere noget meget lille: lille byggesten af atomer, der smadrer sammen i høje hastigheder. Ved hver kollision frigøres en gnist af energi. Kernefusion, blanding af atomkerner til dannelse af nye elementer, er det, der driver hele galakser af stjerner.
Denne mosaik blev oprettet af EarthSky-ven Corina Wales. Tak Corina!
Atomkernerne er begrebsmæssigt enkle. De består kun af to typer partikler: protoner og neutroner. Antallet af protoner bestemmer atomtypen; det er det, der adskiller helium, kulstof og svovl. Neutronerne holder de positivt ladede protoner sammen. Uden neutroner ville lignende ladninger protonerne flyve fra hinanden.
Tyngre atomer, som neon, kan samles ved at smelte sammen lettere atomer, som helium. Når det sker, frigives energi. Hvor meget energi? Hvis du skulle smelte alt brintet i en gallon vand til helium, ville du have nok energi til at drive New York City i tre dage.
Forestil dig nu, hvis du havde en hel stjernes værdi af brint!
Trinene i en af stierne, som fire brintkerner tager for at smelte sammen en heliumkerner. Ved hvert trin udsendes energi som gammastråler. Kredit: Wikipedia-bruger Borb.
Kunsten at få atomer til at smelte sammen er at have ekstremt høj temperatur og densitet. Under trykket fra et par octillion ton gas opvarmes solens centrum til ca. 10 millioner grader celsius. Ved den temperatur bevæger de nakne protoner fra en hydrogenkerne hurtigt nok til at overvinde deres gensidige frastødning.
Gennem en række kollisioner smelter det intense tryk ved solens kerne konstant fire protoner sammen for at danne helium. Med hver fusion frigøres energi i det stjernernes indre. Millioner af disse begivenheder, der finder sted hvert sekund, producerer nok energi til at skubbe tilbage mod tyngdekraften og holde stjernen i balance i milliarder af år. De frigjorte gammastråler følger en krøllet sti højere og højere gennem stjernen, indtil de til sidst dukker op fra overfladen, millioner af år senere, i form af synligt lys.
Men dette kan ikke fortsætte for evigt. Til sidst udtømmes brintet, når en inert kerne i helium opbygges. For de mindste stjerner er dette slutningen af linjen. Motoren slukker, og stjernen falder stille ind i mørket.
En mere massiv stjerne, ligesom vores sol, har andre muligheder. Når brændstofbrændstoffet løber ud, trækkes kernen sammen. Den kontraherende kerne opvarmes og frigiver energi. Stjernen balloner i en "rød gigant". Hvis kernen kan nå en høj nok temperatur - cirka 100 millioner grader celsius - kan heliumkernerne begynde at smelte sammen. Stjernen går ind i en ny livsfase, hvor helium omdannes til kulstof, ilt og neon.
Stjernen går nu ind i en cyklus, hvor det nukleare brændstof udtømmes, kernen sammentrækkes og stjerne balloner. Hver gang starter kernevarmen en ny runde fusion. Hvor mange gange stjernens løkker gennem disse trin afhænger helt af stjernens masse. Mere masse kan producere mere tryk og drive stadig højere temperaturer i kernen. De fleste stjerner, som vores sol, ophører efter at have produceret kulstof, ilt og neon. Kernen bliver en hvid dværg, og de ydre lag af stjernen drives ud i rummet.
Men stjerner, der er et par gange mere massive end solen, kan fortsætte. Efter at heliumet er opbrugt, producerer kernekontraktionen temperaturer, der nærmer sig en milliard grader. Nu kan kulstof og ilt begynde at smelte sammen til at danne endnu tungere elementer: natrium, magnesium, silicium, fosfor og svovl.Ud over dette kan de mest massive stjerner varme deres kerner til flere milliarder grader. Her er en forvirrende række optioner tilgængelige som siliciumsikringer gennem en kompleks reaktionskæde for at danne metaller som nikkel og jern. Kun et par stjerner kommer så langt. Det tager en stjerne med massen af mere end otte solskin for at danne jern.
Indersiden af en rød gigantisk stjerne i øjeblikke før eksplodere som en supernova. Produkterne fra de forskellige kernefusionsreaktioner er stablet som lagene af en løg. De letteste elementer (brint) forbliver nær stjernens overflade, mens de tyngste (jern og nikkel) danner stjernekernen. Kredit: NASA (via Wikipedia)
Når en stjerne først producerer en kerne af jern eller nikkel, er der dog ingen muligheder tilbage. På hvert trin på denne rejse har fusion frigivet energi til det stjernernes indre. At smelte med jern, på den anden side, frarøver energi fra stjernen. På dette tidspunkt har stjernen forbruget alt brugbart brændstof. Uden en atomkraftkilde kollapser stjernen. Alle gaslagene styrter ned til midten, som stivner som respons. En eksotisk neutronstjerne fødes i kernen, og den travle masse, uden noget andet at gå hen, rebounds af den ukomprimerbare overflade. Vildt ude af balance blæser stjernen fra hinanden i en supernova - en af de mest kataklysmiske ental begivenheder i universet. I eksplosionens kaos begynder atomkerner at fange enkeltprotoner og neutroner. Her i ilden af en supernova skabes resten af elementerne i universet. Alt guld i alle bryllupsbånd i verden kan kun være kommet fra ét sted: en nærliggende supernova, der sluttede en stjerners liv og sandsynligvis udløste dannelsen af vores solsystem for fem milliarder år siden.
Crab Nebula er resterne af en supernova set fra Jorden for tusind år siden. Beliggende 6500 lysår væk i stjernebilledet Tyren, Tyren, er resten 11 lysår på tværs og udvides med cirka 1500 km / s! Kredit: NASA, ESA, J. Hester og A. Loll (Arizona State University)
Det er en bemærkelsesværdig kendsgerning, at den største af stjerner er drevet af de mindste ting. Alt lys og energi i vores univers er resultatet af atomer, der bygges i stjernernes kerner. Energien, der frigives hver gang to partikler smelter sammen, kombineret med billioner af andre igangværende reaktioner, er nok til at drive en enkelt stjerne i milliarder af år. Og hver gang en stjerne dør, frigøres de nye atomer i det interstellare rum og bæres langs galaktiske vandløb, hvorved de næste generation af stjerner podes. Alt hvad vi er er resultatet af termonuklear fusion i hjertet af en stjerne. Da Carl Sagan en gang berømt quippede, er vi virkelig stjerne-ting.