Zvjezdana nukleosinteza je proces kojim se elementi kombiniraju u zvijezdama kombiniranjem protoni i neutroni zajedno iz jezgara lakših elemenata. Svi su atomi u svemiru započeli kao vodik. Fuzija unutar zvijezda pretvara vodik u helij, toplinu i zračenje. Teži elementi nastaju u različitim vrstama zvijezda dok umiru ili eksplodiraju.
Povijest teorije
Ideju da zvijezde spajaju atome svjetlosnih elemenata prvi je put predložio 1920-ih, Einsteinov snažni pristalica Arthur Eddington. Međutim, stvarna zasluga za njegovo razvijanje u koherentnu teoriju dana je radu Freda Hoylea nakon Drugog svjetskog rata. Hoyleova teorija sadržavala je neke značajne razlike od trenutne teorije, osobito onu koja nije vjerovala u teorija velikog praska ali umjesto toga taj se vodik neprekidno stvarao u našem svemiru. (Ova se alternativna teorija zvala a teorija stabilnog stanja i palo joj je naklonost kad je otkriveno kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.)
Najjednostavniji tip atoma u svemiru je atom vodika, koji sadrži jedan proton u jezgri (možda i s nekim neutronom koji visi, kao i) s elektronima koji kruže oko jezgre. Vjeruje se da su se ovi protoni formirali kad je nevjerojatno velika energija
kvark-gluonska plazma vrlo rano svemir je izgubio dovoljno energije da kvarkovi počeli spajati zajedno kako bi tvorili protone (i ostalo hadroni, poput neutrona). Vodonik se formirao prilično brzo, pa je čak i helij (sa jezgrama koji sadrže 2 protona) nastao u relativno kratkom redoslijedu (dio procesa koji se naziva i nukleosinteza Velikog praska).Kako su se ovaj vodik i helij počeli formirati u ranom svemiru, postojala su neka područja gdje je bila gušća nego u drugima. Gravitacija je preuzela i na kraju su se ti atomi privukli u ogromne oblake plinova u prostranstvu prostora. Jednom kada su ovi oblaci postali dovoljno krupni, prikupila ih je gravitacija dovoljno sile da se zapravo atomska jezgra stapaju u procesu zvanom nuklearna fuzija. Rezultat ovog procesa fuzije je da su dva jedno-protonska atoma sada formirala jedan dvo-protonski atom. Drugim riječima, dva atoma vodika započela su jedan jedini helijev atom. Tijekom ovog procesa oslobađa se energija koja zbog toga gori sunce (ili bilo koja druga zvijezda).
Potrebno je gotovo 10 milijuna godina da izgori kroz vodik i tada se stvari zagrijavaju i helij se počinje topiti. Zvjezdana nukleosinteza i dalje stvara teže i teže elemente sve dok ne završite sa željezom.
Stvaranje težih elemenata
Izgaranje helija kako bi se dobili teži elementi zatim nastavlja oko 1 milijun godina. Uglavnom, ona se spaja u ugljik procesom trostrukog alfa u kojem se transformišu tri jezgre helija-4 (alfa čestice). Alfa postupak tada kombinira helij s ugljikom kako bi se dobili teži elementi, ali samo oni s jednakim brojem protona. Kombinacije idu ovim redoslijedom:
- Ugljik plus helij stvara kisik.
- Kisik plus helij proizvodi neon.
- Neon plus helij stvara magnezij.
- Magnezij plus helij stvara silicij.
- Silicij plus helij stvara sumpor.
- Sumpor plus helij proizvodi argon.
- Argon plus helij stvara kalcij.
- Kalcij plus helij proizvodi titan.
- Titan plus helij stvara krom.
- Krom plus helij proizvodi željezo.
Ostali fuzijski putevi stvaraju elemente s neparnim brojem protona. Željezo ima tako čvrsto vezanu jezgru da više ne postoji daljnja fuzija nakon postizanja te točke. Bez topline fuzije, zvijezda se raspada i eksplodira u udarnom valu.
Fizičar Lawrence Krauss primjećuje da je potrebno 100.000 godina da ugljik izgori u kisik, a 10.000 godina kisik se zapalio u silikon i jedan dan kad bi se silicij sagorio u željezo i najavio propadanje zvijezda.
Astronom Carl Sagan u TV seriji "Cosmos" napomenuo je: "Mi smo napravljeni od zvijezda." Krauss se složio, navodeći kako je "svaki atom u vašem tijelu jednom bio u zvijezdi koja je eksplodirala... Atomi u vašoj lijevoj ruci vjerojatno su potjecali od drugačije zvijezde nego u vašoj desnoj, jer je 200 milijuna zvijezda eksplodiralo kako bi činilo atome u vašem tijelu. "