Ο κύκλος της δημιουργίας των χημικών στοιχείων,
είναι ένας κύκλος της ζωής των αστέρων.

Αρθρο 21-Απριλίου-2001

Φωτογραφία του εντυπωσιακού νεφελώματος του Καρκίνου που τραβήχθηκε το 1976, φιλοξενεί αστέρες νετρονίων.

Η δημιουργία των στοιχείων

Ένα ισχυρότατο επιχείρημα υπέρ της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης είναι ότι προβλέπει, ότι μετά τα 3 πρώτα λεπτά της δημιουργίας του Σύμπαντος, το ποσοστό υδρογόνου-ηλίου είναι   περίπου αυτό που παρατηρείται και σήμερα στο Σύμπαν, δηλαδή αναλογία υδρογόνου-ηλίου 3:1. Για τα βαριά στοιχεία προβλέπει πως δημιουργούνται στο εσωτερικό των αστέρων.
Ακριβή στοιχεία μας δείχνουν πως στα αστέρια η αναλογία σήμερα είναι 70% υδρογόνο (H), 28% ήλιο (Ηe), ενώ τα υπόλοιπα στοιχεία (οξυγόνο, άζωτο, άνθρακας, νέο, μαγνήσιο, πυρίτιο, θείο, σίδηρος, νικέλιο, αργό, χλώριο) δεν ξεπερνούν το 2% της συνολικής μάζας των αστέρων του πληθυσμού Ι (των νεωτέρων αστεριών όπως ο ήλιος), και το 0.1% της μάζας των αστέρων του πληθυσμού ΙΙ (παλαιοτέρων αστέρων).

Αν λοιπόν συγκεντρωθεί κάπου στο Σύμπαν μιά μάζα αερίου, με την πιό πάνω αναλογία (3:1), που ξεπερνά σε ποσότητα την 0,1Μ (όπου Μ=Μάζα του Ήλιου),  τότε δημιουργείται ένας αστέρας, αλλά πριν καν αρχίσουν οι πυρηνικές αντιδράσεις τότε έχουμε την πρώτη φάση της ζωής ενός αστέρα.

Τότε αρκεί η βαρυτική έλξη των συστατικών του αερίου που ανεβάζει την θερμοκρασία αρχικά στους 500.000 οC, και τότε αρχίζει η καύση του δευτερίου, του Li, του Be και Β, που όμως λόγω της μικρής ποσότητας τους, τελειώνουν γρήγορα. Η συρρίκνωση τότε συνεχίζεται λόγω βαρυτικής έλξης, για να ανεβεί η θερμοκρασία ακόμη πιό πολύ, στους 10.000.000 οC. Σε αυτήν την θερμοκρασία αρχίζει η πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου προς το στοιχείο ήλιο (φάση της κύριας ακολουθίας). Όταν ένας αστέρας αρχίσει να καίει το υδρογόνο του προς ήλιο, θα απελευθερώνει αρκετά ποσά ενέργειας και θα ασκεί μια πίεση προς τα έξω, ικανή να ισορροπήσει την βαρυτική πίεση. Έτσι ο αστέρας για πάρα πολλά χρόνια βρίσκεται σε μια θερμοδυναμική ισορροπία. Οι μικροί αστέρες μπορούν να ζήσουν ακόμη και 10 δισεκατομμύρια χρόνια, σε αυτή τη φάση, όπως και ο δικός μας Ήλιος.

Αν η μάζα του πρωταρχικού αερίου ξεπερνά την ποσότητα των 10Μ, τότε θα αρχίσει πάλι η πυρηνική σύντηξη, αλλά επειδή η ακτινοβολία που θα εκπέμπει ο αστέρας θα είναι τεράστια, (Ρακτ ~ αΤ⁴) , η διάρκεια ζωής του θα είναι πάρα πολύ μικρή, πχ μερικές χιλιάδες έτη.   Άρα η μάζα των διαφόρων αστέρων που παρατηρούμε είναι θεωρητικά στο διάστημα από 0,1Μ έως 10Μ, αν και υπάρχουν και αστέρες με μαζα των 50Μ. Μεγαλύτεροι αστέρες δεν παρατηρούνται γιατί δεν καταφέρνουν να σχηματιστούν.

Δηλαδή η εξέλιξη και η πορεία των άστρων, εξαρτάται από την αρχική μάζα τους και η αιτία είναι οι διαφορετικές πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό τους. 

Σε κάθε περίπτωση, όταν αρχίσουν να τελειώνουν τα αποθέματα του αστέρα σε υδρογόνο, παύει να υφίσταται θερμοδυναμική ισορροπία και η βαρυτική έλξη αναγκάζει σε συστολή τον αστέρα, που του αυξάνει εκ νέου την θερμοκρασία. Αρχίζει έτσι μια νέα φάση που ακολουθεί την κύρια ακολουθία, και είναι το πιό σύντομο στάδιο της ζωής του αστέρα.

Από την πυρηνική φυσική ξέρουμε πως σε θερμοκρασίες μικρότερες των είκοσι εκατομμυρίων βαθμών, η καύση του υδρογόνου γίνεται με τον κύκλο πρωτονίου-πρωτονίου. Ενώ σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες η καύση του υδρογόνου γίνεται με τον κύκλο του άνθρακα-αζώτου (τα αποτελέσματα είναι πάντως τα ίδια).

Οπως η θερμοκρασία αυξάνεται, περίπου 100.000.000 οC, ώστε να φτάσει στο κατώφλι σύντηξης του στοιχείου ηλίου σε στοιχείο βηρύλιο (Be) και εν συνεχεία σε άνθρακα (C). Το ήλιο (He) δηλαδή, που ένα μέρος του ήταν το προϊόν της πυρηνικής σύντηξης του υδρογόνου, μετατρέπεται τελικά σε άνθρακα απελευθερώνοντας όμως πρόσθετη ενέργεια, για να δημιουργηθεί και πάλι   μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, σώζοντας έτσι τον αστέρα από την βαρυτική κατάρρευση. Μια κατάρρευση που όμως θα έλθει σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Στη φάση αυτή ο αστέρας, ονομάζεται ερυθρός γίγαντας. Είναι μια φάση στην οποία θα έλθει και ο δικός μας ήλιος (όπως και όλοι οι αστέρες τηςακολουθίας Ι) , μετά από 5 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. Αργότερα, σε μερικά εκατομμύρια χρόνια από τότε, θα μεταβληθεί σε λευκό νάνο και τέλος θα καταλήξει σε σκοτεινό νάνο.

Στο στάδιο των ερυθρών γιγάντων (τέτοια γνωστά αστέρια σήμερα είναι ο Antares στον αστερισμό του Σκορπιού και ο Betelgeuse στον αστερισμό του Ωρίωνα), τα αστέρια καίνε τα καύσιμα τους με ξέφρενο ρυθμό. Αρχίζοντας από το υδρογόνο, συνεχίζουν τις θερμοπυρηνικές καύσεις μετατρέποντας διαδοχικά το υδρογόνο σε He, το He σε Be, το Be σε C, ακολούθως σχηματίζεται O, Ne, Mg, Si, S, A, Ca και τελικά καταλήγουν στον Fe. Τα αστέρια λοιπόν για να υπερνικήσουν την βαρύτητα καίνε συνεχώς την στάχτη τους.

Η ιστορία λοιπόν ορισμένων άστρων θα συνεχιστεί, με την πυρηνική καύση τον άνθρακα, (φάση ερυθρού υπεργίγαντα), μέχρις ότου φτάσουμε στον σίδηρο. Από εκεί και πέρα η πυρηνική σύντηξη δεν απελευθερώνει ενέργεια, αλλά αντίθετα για να γίνει χρειάζεται ενέργεια. Έτσι η βαρύτητα, όταν καταστρέφεται η θερμοδυναμική ισορροπία, συμπιέζει τον αστέρα αυξάνοντας συγχρόνως τη θερμοκρασία του. Ο αστέρας γίνεται τόσο πυκνός ~4.10¹¹ gr/cm³, που δεν υπάρχουν παρά μόνο νετρόνια, γιατί τα πρωτόνια του πυρήνα  μαζί με τα ηλεκτρόνια δίνουν νετρόνια. Δημιουργείται λοιπό ένας αστέρας νετρονίων.

Στον αστέρα αυτό συσσωρεύεται συνεχώς ενέργεια , μέχρι να δημιουργηθεί ένα ωστικό κύμα, επειδή τα ανώτερα στρώματα του αστέρα που καταρρέουν συγκρούονται με τον πυρήνα του, αναπηδούν και δημιουργείται τότε ένα τεράστιο ωστικό κύμα, που λέγεται έκρηξη υπερκαινοφανούς τύπου ΙΙ, και που με ταχύτητα 30.000Km/sec διαλύει τον αστέρα και μεγάλο μέρος από τη μάζα του, το εκτοξεύει στο διάστημα. Ένα μέρος από αυτή την ενέργεια χρησιμοποιείται για πυρηνικές συντήξεις και σχηματισμό βαρύτερων στοιχείων από τον σίδηρο.

Έτσι η μάζα που εκτοξεύεται από το αστέρα είναι πλούσια σε βαριά στοιχεία πέραν του σιδήρου. Αυτό το υλικό θα αποτελέσει τη μαγιά για τη δημιουργία αστέρων δεύτερης γενιάς, όπως είναι ο ήλιος μας, που κι αυτός μαζί με το πλανητικό μας σύστημα, περιέχουν βαριά στοιχεία πέραν του σιδήρου, τόσο απαραίτητα για την ανάπτυξη ζωής πάνω στην Γη μας, που προέρχονται από τον πυρήνα κάποιου αστέρα που εξερράγη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Δημιουργία του χρυσού

Μια νέα πρωτοποριακή μελέτη ερευνητών του Πανεπιστημίου του Λέισεστερ, με τη βοήθεια του ισχυρότερου αστρονομικού υπολογιστή της Ευρώπης, έδειξε ότι η βίαιη σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων μπορεί να παράγει χρυσό και πλατίνα. Η κοσμική αυτή συγχώνευση μέσα στο γαλαξία μας, συμβαίνει σχεδόν μία φορά κάθε 100.000 χρόνια και παράγει όλα τα βαριά μέταλλα που είναι απαραίτητα για το σχηματισμό των αστέρων και των πλανητών.
Αυτή όμως η "αλχημιστική" αντίδραση δεν πρόκειται ποτέ να διεξαχθεί στα εργαστήρια της Γης, αλλά συμβαίνει μονάχα κατά τη διάρκεια συγχώνευσης δύο υπέρπυκνων αστέρων νετρονίων.

Οι αστέρες νετρονίων που αποτελούνται ως γνωστόν αποκλειστικά από νετρόνια, παρουσιάζουν διάμετρο περίπου της τάξης των 20 km., και έχουν τεράστια πυκνότητα. Κάθε κυβικό εκατοστό έχει βάρος 500 εκατ. τόνους, η δε θερμοκρασία τους είναι της τάξης των 7 τρισ. βαθμών Κελσίου.

Αναφορά στην ύπαρξη τέτοιων αστέρων είχαν κάνει οι θεωρητικοί από το 1930, δηλαδή πολλά χρόνια προτού ανακαλυφθούν από τους αστρονόμους το 1967. Οι παλλόμενες ραδιοπηγές pulsars φαίνεται ότι αποτελούνται από αστέρες νετρονίων, οι οποίοι μπορούν να προκύψουν από εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων.

Το ειδικό αυτό πρόγραμμα - μοντέλο (προσομοίωση), το οποίο και εφαρμόστηκε στον υπερυπολογιστή Origin 3800 της Silicon Graphics, έτρεξε για έξι μήνες, και από την επεξεργασία -- όλων των δεδομένων, ο υπερυπολογιστής που ανήκει του Astrophysical Fluids Facility του Πανεπιστημίου του Λέισεστερ (ή αλλιώς UKAFF) κατάφερε να αποδείξει την ορθότητα της παραπάνω πρωτοποριακής θεωρίας.

Τα αποτελέσματα του UKAFF αναφέρουν ότι τη στιγμή της σύγκρουσης δύο αστέρων νετρονίων τα προστριβόμενα μόρια νικελίου και σιδήρου παράγουν βαρύτερα μέταλλα, όπως είναι ο χρυσός. Στη συνέχεια αυτά εκτινάσσονται στο Διάστημα και αναμειγνύονται με άλλα χημικά στοιχεία σχηματίζοντας το δίσκο αερίων ή πρωτοπλανητικό δίσκο, μέσα από τον οποίο θα σχηματιστούν τα άστρα και οι πλανήτες.

Και τα διαμάντια;

Μια έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters πριν λίγες ημέρες, αναφέρει ότι στο εσωτερικό των αστέρων νετρονίων πιθανότατα να κρύβονται διαμάντια.

Η έρευνα δύο διακεκριμένων φυσικών του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), στηρίχτηκε στα quarks.
Υπάρχουσες θεωρίες αναφέρουν ότι βαθιά μέσα στο εσωτερικό των αστέρων νετρονίων, η ύλη αποτελείται από τριών ειδών κουάρκς, το up, down και ένα quark σε μικρή ποσότητα το strange (παράξενο), συμπυκνωμένα σε ασυνήθιστα μεγάλες πυκνότητες.

Η μίξη όλων των τριών παραπάνω quarks, πρέπει να επιφέρει ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο στο κέντρο αυτών των αστέρων, (επεδή τα strange quarks είναι λιγώτερα), το οποίο δημιουργεί έναν μεταλλικό αδιάφανο πυρήνα.

Oι υπολογισμοί των δύο φυσικών, δείχνουν ότι στην πραγματικότητα ο πληθυσμός των παράξενων-strange quarks, δεν είναι μικρότερος -όπως εκτιμούσαν μέχρι σήμερα οι φυσικοί- αλλά ίσος με τα άλλα δύο είδη των quarks. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ουδέτερη ηλεκτρική φόρτιση του πυρήνα των αστέρων, την απουσία των ηλεκτρονίων και τη διαφανή φύση του, δηλαδή όπως ακριβώς συμβαίνει με τα διαμάντια εδώ στη Γη. Το κέντρο δηλαδή κάθε αστέρα νετρονίων μοιάζει με ένα τεράστιο διαμάντι εκατομμύρια φορές πυκνότερο από τα αντίστοιχα πάνω στον πλανήτη μας.