Mặt trời tạo ra khoảng 400 tỷ tỷ megawatt điện và nó đã làm như vậy trong năm tỷ năm. Phản ứng tổng hợp hạt nhân - kết hợp các nguyên tử nhẹ hơn để làm cho nặng hơn - là những gì làm cho nó có thể.
Mặt trời tạo ra khoảng 400 tỷ tỷ megawatt điện, và nó đã làm như vậy trong năm tỷ năm. Nguồn năng lượng nào có khả năng của loại năng lượng này? Đáng chú ý, động cơ của những ngôi sao hùng mạnh nhất không phải là thứ gì đó to lớn, mà là một thứ rất nhỏ: những khối nguyên tử nhỏ bé đang đập vào nhau với tốc độ cao. Với mỗi va chạm, một tia năng lượng được giải phóng. Phản ứng tổng hợp hạt nhân, sự pha trộn của các hạt nhân nguyên tử để tạo thành các nguyên tố mới, là yếu tố thúc đẩy toàn bộ các thiên hà của các ngôi sao.
Bức tranh khảm này được tạo ra bởi người bạn EarthSky Corina Wales. Cảm ơn bạn Corina!
Hạt nhân của các nguyên tử là khái niệm đơn giản. Chúng chỉ bao gồm hai loại hạt: proton và neutron. Số lượng proton xác định loại nguyên tử; Nó có những gì phân biệt helium, carbon và lưu huỳnh. Các neutron giữ các proton tích điện dương với nhau. Không có neutron, các điện tích tương tự sẽ khiến các proton bay ra.
Các nguyên tử nặng hơn, như neon, có thể được lắp ráp bằng cách hợp nhất các nguyên tử nhẹ hơn, như helium. Khi điều đó xảy ra, năng lượng được giải phóng. Bao nhiêu năng lượng? Nếu bạn hợp nhất tất cả hydro trong một gallon nước vào helium, bạn sẽ có đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho thành phố New York trong ba ngày.
Bây giờ hãy tưởng tượng nếu bạn có toàn bộ ngôi sao có giá trị hydro!
Các bước trong một trong những con đường mà bốn hạt nhân hydro thực hiện để hợp nhất một hạt nhân helium. Ở mỗi bước, năng lượng được phát ra dưới dạng tia gamma. Tín dụng: Người dùng Wikipedia Borb.
Bí quyết để đưa các nguyên tử vào cầu chì là có nhiệt độ và mật độ cực cao. Dưới áp lực của một vài triệu tấn khí, trung tâm Sun Sun được làm nóng đến khoảng 10 triệu độ C. Ở nhiệt độ đó, các proton trần của hạt nhân hydro đang di chuyển đủ nhanh để vượt qua lực đẩy lẫn nhau.
Thông qua một loạt các vụ va chạm, áp lực cực mạnh ở lõi mặt trời Sun liên tục hợp nhất bốn proton lại với nhau để tạo thành helium. Với mỗi phản ứng tổng hợp, năng lượng được giải phóng vào bên trong sao. Hàng triệu sự kiện này xảy ra mỗi giây tạo ra đủ năng lượng để đẩy lùi lực hấp dẫn và giữ cho ngôi sao cân bằng trong hàng tỷ năm. Các tia gamma được giải phóng đi theo một con đường quanh co ngày càng cao qua ngôi sao cho đến khi cuối cùng xuất hiện từ bề mặt, hàng triệu năm sau, dưới dạng ánh sáng nhìn thấy được.
Nhưng điều này có thể tiếp tục mãi mãi. Cuối cùng, hydro bị cạn kiệt khi một lõi trơ của helium tích tụ. Đối với những ngôi sao nhỏ nhất, đây là phần cuối của dòng. Động cơ tắt và ngôi sao lặng lẽ mờ dần vào bóng tối.
Một ngôi sao lớn hơn, như mặt trời của chúng ta, có các lựa chọn khác. Khi nhiên liệu hydro hết, các hợp đồng cốt lõi. Lõi hợp đồng nóng lên và giải phóng năng lượng. Những quả bóng bay thành một ngôi sao khổng lồ màu đỏ. Nếu lõi có thể đạt tới nhiệt độ đủ cao, khoảng 100 triệu độ C, hạt nhân helium có thể bắt đầu nung chảy. Ngôi sao bước vào một giai đoạn mới của sự sống có helium được chuyển thành carbon, oxy và neon.
Ngôi sao bây giờ bước vào một chu kỳ nơi nhiên liệu hạt nhân cạn kiệt, các hợp đồng cốt lõi và bóng bay ngôi sao. Mỗi lần, hệ thống sưởi lõi lại khởi động một vòng hợp hạch mới. Số lần vòng sao qua các bước này phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng của sao. Khối lượng lớn hơn có thể tạo ra nhiều áp lực hơn và thúc đẩy nhiệt độ cao hơn ở lõi. Hầu hết các ngôi sao, như mặt trời của chúng ta, ngừng hoạt động sau khi sản xuất carbon, oxy và neon. Lõi trở thành một sao lùn trắng và các lớp bên ngoài của ngôi sao được đưa vào không gian.
Nhưng những ngôi sao nặng gấp đôi mặt trời có thể tiếp tục hoạt động. Sau khi helium được sử dụng hết, sự co rút lõi tạo ra nhiệt độ gần một tỷ độ. Bây giờ, carbon và oxy có thể bắt đầu hợp nhất để tạo thành các nguyên tố nặng hơn: natri, magiê, silicon, phốt pho và lưu huỳnh.Ngoài ra, những ngôi sao lớn nhất có thể làm nóng lõi của chúng tới vài tỷ độ. Ở đây, một loạt các tùy chọn hoang mang có sẵn khi các cầu chì silicon thông qua chuỗi phản ứng phức tạp để tạo thành các kim loại như niken và sắt. Chỉ có một vài ngôi sao có được điều này đến nay. Phải mất một ngôi sao với khối lượng hơn tám mặt trời để tạo thành sắt.
Bên trong của một ngôi sao khổng lồ đỏ trong những khoảnh khắc trước khi phát nổ như một siêu tân tinh. Các sản phẩm của các phản ứng tổng hợp hạt nhân khác nhau được xếp chồng lên nhau như các lớp của hành tây. Các nguyên tố nhẹ nhất (hydro) vẫn ở gần bề mặt ngôi sao trong khi nặng nhất (sắt và niken) tạo thành lõi sao. Tín dụng: NASA (thông qua Wikipedia)
Tuy nhiên, một khi một ngôi sao tạo ra lõi bằng sắt hoặc niken, thì không có lựa chọn nào còn lại. Ở mọi giai đoạn trên hành trình này, phản ứng tổng hợp đã giải phóng năng lượng vào bên trong sao. Để hợp nhất với sắt, mặt khác, cướp năng lượng từ ngôi sao. Tại thời điểm này, ngôi sao đã tiêu thụ tất cả nhiên liệu có thể sử dụng. Không có nguồn năng lượng hạt nhân, ngôi sao sụp đổ. Tất cả các lớp khí rơi xuống trung tâm, nó cứng lại trong phản ứng. Một ngôi sao neutron kỳ lạ được sinh ra trong lõi và khối lượng đang phát triển, không còn nơi nào để đi, bật lại khỏi bề mặt không thể nén được. Mất tự nhiên, ngôi sao bị thổi bay trong một siêu tân tinh, một trong những sự kiện kỳ dị thảm khốc nhất trong vũ trụ. Trong sự hỗn loạn của vụ nổ, hạt nhân nguyên tử bắt đầu bắt giữ các proton và neutron đơn lẻ. Ở đây, trong đám cháy của một siêu tân tinh, phần còn lại của các yếu tố trong vũ trụ được tạo ra. Tất cả vàng trong tất cả các ban nhạc đám cưới trên thế giới chỉ có thể đến từ một nơi: một siêu tân tinh gần đó đã kết thúc cuộc đời một ngôi sao và rất có thể đã kích hoạt sự hình thành hệ mặt trời của chúng ta cách đây năm tỷ năm.
Tinh vân Con cua là tàn dư của một siêu tân tinh nhìn thấy từ Trái đất một ngàn năm trước. Nằm cách xa 6500 năm ánh sáng trong chòm sao Kim Ngưu, Bull, tàn dư có chiều dài 11 năm ánh sáng và mở rộng với tốc độ khoảng 1500 km / giây! Tín dụng: NASA, ESA, J. Hester và A. Loll (Đại học bang Arizona)
Một thực tế đáng chú ý là những ngôi sao lớn nhất được thúc đẩy bởi những thứ nhỏ nhất. Tất cả ánh sáng và năng lượng trong vũ trụ của chúng ta là kết quả của các nguyên tử được xây dựng trong lõi của các ngôi sao. Năng lượng được giải phóng mỗi khi hai hạt hợp nhất với nhau, kết hợp với hàng nghìn tỷ phản ứng đang diễn ra khác, đủ để cung cấp năng lượng cho một ngôi sao trong hàng tỷ năm. Và mỗi khi một ngôi sao chết đi, những nguyên tử mới đó được giải phóng vào không gian giữa các vì sao và mang theo các dòng thiên hà, gieo mầm cho các thế hệ sao tiếp theo. Tất cả những gì chúng ta là là kết quả của phản ứng tổng hợp hạt nhân trong trái tim của một ngôi sao. Như Carl Sagan đã từng nổi tiếng, chúng tôi thực sự là những ngôi sao.