Vodik i helij su ostaci velikog praska; 1% od „prljavštine” dolazi od samih zvijezda, a mi ćemo raspraviti ovu zanimljivu malo self-obogaćivanja  kasnije. Izraz „Big Bang” izvorno je skovao kao pojam podsmijeh britanskog astronoma Fred Hoyle, koji nije bio strastveni vjernik u apokaliptičnim kozmičke eksplozije. Međutim, to je tako opisno da zaglavi i postao ponosni naziv za cijeli niz kozmološka teorija temelji se na ideji da je sva masa i energija u svemiru je izvorno eksplodirala iz kvantne fluktuacije 10³⁰  puta manje od protona. Nedavna precizni rad pomoću kozmičke mikrovalne pećnice mjesta Veliki prasak na prije 13,7 milijardi godina. Promatrane brojnost vodika i helija izotopa² u međuzvjezdanim oblacima su pažljivo odnosu na proračune od kojih izotopi trebao biti stvorene u nekoliko sati nakon Velikog praska, a sporazum je vrlo impresivno. To u osnovi dokazuje da je Veliki prasak nije mogao proizvesti bilo kakve elemente u količini osim vodika i helija, a također pruža snažnu potvrdu za samog Velikog praska.

Većina originalne vodika i helija generira Velikog praska je odavno propala u zvijezde. Galaksiji Mliječni put sastoji od možda 10% plina i 90% zvijezda u ovom trenutku. Međutim, 10% galaksije je još uvijek puno plina, dovoljno da bi oko 30 milijardi Sunca, tako da ne postoji nedostatak novorođene zvijezde za nas promatrati. (Vidi  ploče 5  za više informacija o oblacima nastanka zvijezda.) I kao i uvijek kada se raspravlja zvijezde, prvo pitanje je: kako će se oblaci se ponašati kao što su stiješnjeni gravitacije?

U ovom slučaju, nalazimo se u području izuzetno slabog, a ne izuzetno komprimiranog. Atomi u međuzvjezdanom oblaku su tako daleko da se rijetko susreću jedni s drugima tijekom početnih stupnjeva kolapsa. Možete ih zamisliti kao da pada poput kišnih kapi koja padaju prema središtu oblaka. Slično zemljanim kapima kiše, oni pokupiti brzinu dok padaju. Ova kinetička energija se konačno pretvara u toplinu dok počinju udarati jedan drugoga u sve stalno zamršeni međuzvjezdani oblak. (Učinak grijanja je sasvim paralelan s onim što se događa unutar klipova dizelovog motora tijekom kompresijskog ciklusa, ako ste upoznati s automobilskom mehanikom.) Otprilike polovica topline zrači se tijekom kontrakcije oblaka; druga polovica ostaje zarobljena unutar proto-zvijezde. Na početku kolapsa, temperatura oblaka plina obično je vrlo hladna, samo nekoliko stupnjeva Kelvina (oko -450 F°), a početkom je nekoliko svjetlosnih godina. Do kraja će se smanjiti na nekoliko milijuna milja u radijusu – smanjenje volumena od oko 1018 puta – a površinska temperatura će dosegnuti oko 4000 K°. Temperatura u svojoj jezgri je tipično iznad 10 milijuna K°.

Novorođena zvijezda je na taj način vrlo vruće, svjetleći objekt – kao i planeti u našem Sunčevom sustavu, nekad davno, jer su planeti u osnovi rođeni iz iste kolapsarne međuzvjezdane materije kao i njihove roditeljske zvijezde. Kritična razlika između novorođenih zvijezda i planeta je ovo: planet se samo hladi nakon što se formira, ali zvijezda je toliko masivna da eskalirajuća temperatura i pritisak u njegovoj jezgri zapalaju nuklearne reakcije i počinje proizvoditi energiju.

Izvor energije zvijezde

Po definiciji, zvijezda je objekt koji „opeklina” vodik preko nuklearne fuzije. Ovaj put za oslobađajuću nuklearne energije se razlikuje od onog koji koristi ljudima za podmornice, električne energije i tako dalje. Mi koristimo nuklearne fisije. Fisija put iskorištava ogromnim napuhnutih, radioaktivnih jezgri na kraju periodičkog sistema elemenata, kao što su uran ili plutonij (#92 elemenata i #94). Nuklearna fisija je prikazan na  slici 2. Kada teške jezgre su fissioned (ili razbijen) u lakše jezgre, kao što su barij ili kripton, oni doslovce eksplodirati, dajući ogromne količine energije. Fisija nuklearna-energija put je nešto slično drobljenje spremnik eksplozivnih kemikalija.

Nuklearna fuzija djeluje u upravo suprotnom smjeru: vrlo lagana i savršeno stabilna jezgra na početku periodičnog stola spojena su u teže jezgre, osiguravajući energetski otpuštanje još veće od one nuklearne fisije. Kao i većina zvijezda, Sunce spaja vrlo najlakši element, vodik, u drugi najlakši helij. Vodik ima atomsku težinu jednog, a helij ima atomsku težinu od četiri, pa to znači da četiri jezgre vodika moraju biti fuzionirane da bi stvorile jednu jezgru helija. Kako se to događa? Postoji li grozna olupina vodikovog vlaka gdje se na istom mjestu istovremeno susreću četiri hidrogena?

Ne baš. To bi bilo vrlo nevjerojatno. Spajanje vodika dolazi u koracima, kao što je:

Korak 1)   dva protona, aka vodikovih jezgri, sudaraju. To se događa da se nemoguće za dva protona spojiti s drugom (im elektrostatskog odbijanja prevelika), ali ne brinite. Tu i tamo, prije nego što u sudaru protona može odvojiti, nuklearne snage³  uzrok je jedan od protona da se pretvori u neutron! Kao što sam spomenuo ranije (u prethodnom odjeljku), protoni i neutroni imaju vlastite kvantna stanja. Ono što ti nisam rekao da je proton i neutron  su  kvantna stanja, te prema tome može zamijeniti identitete! Ne šalio⁴. Jezgra koja proizlazi iz sudara je tako proton-neutron par. To je izotop vodika koji se može nazvati vodik-2, ali fizičari obično nazivaju deuterija.Simbolima, pri čemu  je p predstavlja proton i  n  predstavlja neutron, reakcija je:   p + p -> np + energija  + (ostale čestice nazivaju neutrina koji nas ne tiču ovdje ću ih raspravljati kasnije).

Korak 2)   Proton sukobljava s deuterijem. On drži i daje nam 2 protona + 1 neutrona = helij-3. U simbolima:
NP + p -> PPN + energija.

Korak 3)   dva helij-3 sudaraju. U konačnom fireball, helija-3 jezgre se preurediti u jedan helij-4 i dva protona. U simbolima:   PPN + PPN -> pnpn + p + p + energija. Spajanjem protona na helij-3 može činiti vjerojatnijim treći korak, ali da će stvoriti  PPN + p -> pppn, što je litij-4, ne helij-4. Litij-4 je toliko nestabilan da se gotovo raspada prije nego što je stvorio, čime ta reakcija put sudjeluje gotovo ništa Sunčeve energije izlaz.

Neto rezultat je da su četiri hidrogena postala jedan helij. Taj postupak u tri koraka naziva se p-p lanac, i ilustriran je gore. To je primarni izvor energije za većinu zvijezda.

Može se pitati zašto ConEd, američka mornarica itd. Upotrebljavaju nuklearnu fizionu umjesto nuklearne fuzije, s obzirom da: 1) fuzijom proizvodi više energije, 2) fuzija gori vodik = H2O = voda za gorivo, a fisija koristi rijetke, skupo radioizotope , 3) Fuzioniranje vodikom proizvodi znatno manje radioaktivnog otpada od fisije, budući da je njegov reakcijski proizvod neradiozan, i 4) fuzijski procesi ne mogu imati “nesreće” nesreće poput fisije.

Jednostavan odgovor je da je nuklearna fuzija je užasno teško pokrenuti. Uz fisije, sve što treba je jedan nukleus koji je već nestabilna (tj radioaktivni), a zatim možete „razbiti” ga sa slavinom od prebrze vožnje neutrona kao što je prikazano na  slici 2. Neutroni nemaju električni naboj, tako da ne postoji ništa da ih zaustaviti iz približava bilo koji atom. Uz fuzije, morate uzeti nukleus koji su lagani, stabilni, a najgore od svega, pozitivno nabijene, i uvjeriti ih da se zajedno. Jezgre elektrostatski odbijaju zvjerski, i bliže dolaze zajedno, više zvjerski su otjerati. (Vidi ploču 6 za ilustraciju.) Zbog nuklearne snage imaju vrlo kratke raspone, samo oni mogu prevladati elektrostatskog odbijanja i pokrenuti fuziju kad su jezgre su doslovno na vrhu svake druge. Atomi grijača plina mora se stoga kreće na nevjerojatan brzine da bi takav bliski pristup, odnosno, plin mora biti podignuta na nevjerojatan temperaturama i tlakovima prije nego što imaju ikakve nade za dobivanje bilo kakve energije iz nje.

Trenutno, jedini način da započnemo hidrogenizaciju jest uporaba nuklearne fisije: takozvana “vodikova” bomba koristi eksploziju plutonijeve bombe na (vrlo kratko) zapaljivanje nekontrolirane fuzije vodikovih izotopa deuterija i tricija. Ne možemo kontrolirati fuzije, iako je mnogo istraživanja o tom predmetu provedeno tijekom proteklih 40 godina. Sunce izbjegava te probleme i spaja vodik preko svog prepunog, prekomjernog skupa. Tlak u njegovu središtu cijevi plin do četrnaest puta gustoće olova. Temperatura je 15 milijuna K°.

Ipak, tako ekstremna kao tih brojeva, oni još uvijek nisu dovoljno velike da zapali  brzo  vodikov spoj. U stvari, oni su jedva dovoljno velik za paljenje bilo vodikov fuziju na sve! Vi svibanj se pitate što mislim pod „jedva”, s obzirom kako svijetle je Sunce, a mislim ovo: Sunce je sjalo za 4.5 milijardi godina,⁵ ali to je samo spaljena 5% svog vodika goriva! Ako nikad vozio svoj auto, ali samo otvorio poklopac plina za jednu sekundu svaki dan da neke pare pobjegne, ne bi se pomoću svoje gorivo brže nego Sunce radi. To je  teško  postići fuziju. Ovdje su neke brojke za ilustraciju što mislim:

A)   Sunca sjaj (ukupne izlazne snage) = 3.86 x 10²³  kilovata. U aktualnim globalnim razinama potrošnje, to će potrajati svjetske populacije 792,000 godina da koriste energiju proizvedenu od strane Sunca u jednoj sekundi. Astronomi opisuje ovu količinu energije kao L_o , ili od jednog solarnog sjaja.

B)   Energija proizvesti nuklearne fuzije jednog kilograma (dva £, 3 unce) vodika je 177,720,000 kilovatsati (!!). To predstavlja dovoljno struje za pokretanje prosječnu američku kućanstva za 3000 godina.

C)   Podjela Sunčev sjaj (a) dobivene energije od jednog kilograma vodika (B) govori nam koliko kilograma vodika moraju biti spaljen svaki drugi na vlast Sun: 603 milijardi. Mine toliko tonaža, ti bi trebao iskopati cijelu državu Illinois na dubini od 1000 stopa, po danu. Približno.

D)   Sunčeve mase je 1,99 x 10³⁰  kg = 332,900 puta veća od mase Zemlje. Podjela to u 603 milijardi kilograma izračunatih u (C) daje nam dio Sunca koji se izgorio svaki drugi: 3 x 10^-19. To je otprilike isti omjer kao i uspoređujući jedan denar na bruto gospodarskog proizvoda iz cijelog svijeta za narednih 1.000 godina. Tako ćemo vidjeti kako Sunce paradoksalno uspijeva zračiti toliko energije, a opet spali (skoro) bez goriva, u odnosu na svoju veličinu. Njegova ogromna masa prevodi čak nanoscopic postotaka vodika spaljivanja u protuvrijednosti milijuna H-bombi eksplozija sekundi.

Dakle, zvijezde poput Sunca koriste tlak super-grijanih plinova kako bi zadržali neumoljivu snagu gravitacije. Čak i bolje i zabavnije (ako ste astronom), izvor topline za plinove je prirodni nuklearni reaktor. To znači da su zvijezde daleko nasilnije i dinamičnije od planeta, au sljedećem dijelu ćemo razmotriti neke od posljedica toga.

Ploča 5

3 – Postoje dvije nuklearne snage, maštovito označene kao “jake” i “slabe”, jer jaka je oko milijardu puta jača od druge. Za razliku od gravitacije ili elektromagnetizma, rasponi nuklearnih snaga su oštro ograničeni na nuklearne udaljenosti, ali unutar granica jezgre, snažna snaga je daleko snažnija od bilo koje druge. Jaka snaga je odgovorna za veliku moć nuklearnih reakcija; slaba snaga je suptilnija i odgovorna je za nekoliko vrsta radioaktivnog raspadanja.

4 – KVARKOVE su sub-nuklearne čestice koje, između ostalog, protona i neutrona.  Kvarkovi  su vrlo rado zamijeniti identitete, kao što glumci mijenjaju kostime, a to će učiniti na pad šešir nije zabranjeno nedostatka energije. Slučaj u točki, proton je jedina kombinacija  kvarkova koji je stabilan kao slobodan čestica, iz jednostavnog razloga što je najlakši (barem energetski)  Kvark kombinacija je više moguće. Budući da su  kvarkovi  ne mogu formirati drugu kombinaciju, osim što se energija, proton se ne može promijeniti, osim ako je uključen u nasilnom sudara. Kada se pokrene fuzija, međutim, kvarkovi možete promijeniti, a time i moguće je da proton iznenada postati neutrona.

Ploča 6

5 – Ako se pitate odakle dolazi taj broj, dolazi iz astrofizičke teorije, doba Zemlje, određeno geofizičkim razmatranjima, a najpreciznije od svih, od radioaktivnog datiranja najstarijih poznatih meteorita.