Stellar nukleosyntesen er prosessen der elementer skapes i stjerner ved å kombinere protoner og nøytroner sammen fra kjernen i lettere elementer. Alle atomene i universet begynte som hydrogen. Fusjon inne i stjerner transformerer hydrogen til helium, varme og stråling. Tyngre elementer skapes i forskjellige typer stjerner når de dør eller eksploderer.
Teoriens historie
Ideen om at stjerner smelter sammen atomene i lette elementer ble først foreslått på 1920-tallet av Einsteins sterke tilhenger Arthur Eddington. Fred Hoyles arbeid i kjølvannet av andre verdenskrig gis imidlertid den virkelige æren for å utvikle den til en sammenhengende teori. Hoyles teori inneholdt noen signifikante forskjeller fra den gjeldende teorien, mest bemerkelsesverdig at han ikke trodde på Big Bang teorien men i stedet ble hydrogen kontinuerlig opprettet i vårt univers. (Denne alternative teorien ble kalt a stabil tilstand teori og falt utenfor fordel da den kosmiske mikrobølgebakgrunnen strålingen ble oppdaget.)
Den enkleste typen atom i universet er et hydrogenatom, som inneholder et enkelt proton i kjernen (muligens med noen nøytroner som henger også) med elektroner som kretser rundt den kjernen. Disse protonene antas nå å ha dannet seg når den utrolig høye energien kvark-gluon plasma av det ganske tidlige universet mistet nok energi til det kvarker begynte å binde seg sammen for å danne protoner (og annet hadroner, som nøytroner). Hydrogen dannet ganske mye umiddelbart og til og med helium (med kjerner som inneholder 2 protoner) dannet i relativt kort rekkefølge (del av en prosess referert til som Big Bang-nukleosyntesen).
Da dette hydrogenet og helium begynte å danne seg i det tidlige universet, var det noen områder der det var tettere enn i andre. Tyngdekraften overtok, og etter hvert ble disse atomene trukket sammen til massiv skygass i verdensrommet. Når disse skyene ble store nok, ble de trukket sammen av tyngdekraften med nok kraft til å faktisk føre til at atomkjernene smeltet sammen, i en prosess som ble kalt kjernefysisk fusjon. Resultatet av denne fusjonsprosessen er at de to en-protonatomer nå har dannet et enkelt to-protonatom. Med andre ord har to hydrogenatomer begynt med ett enkelt heliumatom. Energien som frigjøres under denne prosessen er det som får solen (eller en hvilken som helst annen stjerne, for den saks skyld) til å brenne.
Det tar nesten 10 millioner år å forbrenne seg gjennom hydrogenet, og så varmes ting opp og heliumet begynner å smelte sammen. Stellar nukleosyntese fortsetter å skape tyngre og tyngre elementer til du ender opp med jern.
Opprette tyngre elementer
Forbrenningen av helium for å produsere tyngre elementer fortsetter deretter i omtrent 1 million år. Stort sett smeltes det til karbon via trippel-alfa-prosessen der tre helium-4 kjerner (alfapartikler) transformeres. Alfaprosessen kombinerer deretter helium med karbon for å produsere tyngre elementer, men bare de med et jevnt antall protoner. Kombinasjonene går i denne rekkefølgen:
- Karbon pluss helium produserer oksygen.
- Oksygen pluss helium produserer neon.
- Neon pluss helium produserer magnesium.
- Magnesium pluss helium produserer silisium.
- Silisium pluss helium produserer svovel.
- Svovel pluss helium produserer argon.
- Argon pluss helium produserer kalsium.
- Kalsium pluss helium produserer titan.
- Titan pluss helium produserer krom.
- Krom pluss helium produserer jern.
Andre fusjonsveier lager elementene med oddetall antall protoner. Jern har en så tett bundet kjerne at det ikke er ytterligere fusjon når dette punktet er nådd. Uten fusjonsvarmen kollapser stjernen og eksploderer i en sjokkbølge.
Fysiker Lawrence Krauss bemerker at det tar 100.000 år for karbonet brenner til oksygen, 10.000 år i oksygenet til å brenne seg inn i silisium, og en dag for at silisiumet skal brenne seg inn i jern og innvarsler sammenbruddet av stjerne.
Astronom Carl Sagan i TV-serien "Cosmos" bemerket, "Vi er laget av stjerne-ting." Krauss var enig i at han sa at "hvert atom i kroppen din var en gang inne i en stjerne som eksploderte... Atomene i venstre hånd kom sannsynligvis fra en annen stjerne enn i høyre hånd, fordi 200 millioner stjerner har eksplodert for å utgjøre atomene i kroppen din. "