Branduolių sintezė (angl. Nucleosynthesis) yra fundamentalus astrofizikinis procesas, kurio metu atomų branduoliai susidaro žvaigždėse vykstančiose branduolinėse reakcijose arba po Didžiojo Sprogimo Visatos pradžioje.
Tai pagrindinis mechanizmas, atsakingas už cheminę Visatos evoliuciją: branduolių sintezės pobūdis nuolat keičiasi žvaigždei senstant, pradedant nuo paprasčiausio vandenilio degimo ir baigiant sudėtingais procesais, kuriančiais sunkiuosius elementus supernovų sprogimų metu.
Branduolinės reakcijos žvaigždžių evoliucijos stadijose
Žvaigždės gyvavimo ciklas yra tiesiogiai priklausomas nuo to, kokį kurą ji „degina“ savo gelmėse. Kiekviena evoliucijos stadija pasižymi skirtingu sintezės tipu, kuris priklauso nuo temperatūros ir slėgio žvaigždės šerdyje:
- Pagrindinė seka: Kol tokia žvaigždė kaip mūsų Saulė yra stabilioje stadijoje, jos centre vandenilis virsta heliu. Tai vyksta per protoninį ciklą arba CNO (anglies, azoto ir deguonies) ciklą.
- Raudonųjų milžinių seka: Išsekus vandeniliui centre, reakcijos persikelia į sferinį sluoksnį aplink helio šerdį.
- Horizontalioji seka: Šioje stadijoje temperatūra pakyla tiek, kad žvaigždės centre helis pradeda virsti anglimi, o vandenilio sintezė tęsiasi išoriniame sluoksnyje.
- Asimptotinė milžinių seka: Procesas tampa daugiasluoksnis – helis virsta anglimi vidiniame sferiniame sluoksnyje aplink anglies šerdį, o vandenilis virsta heliu dar išoresniame sluoksnyje.
Elementų grandinė: nuo helio iki geležies
wikipedia.org
Didelės masės žvaigždėse branduolių sintezė vyksta kur kas intensyviau ir greičiau. Pasiekus kritinę temperatūrą, prasideda vadinamasis e procesas (termobranduolinės reakcijos), kuriame gimsta lengvieji elementai: neonas, natris, magnis, fosforas bei siera.
Ši grandinė tęsiasi tol, kol pasiekiama geležis. Geležis astronomijoje laikoma „mirties tašku“ įprastai žvaigždei – jos branduoliai yra tiek stabilūs, kad jų sintezė nebeišskiria energijos, o ją suvartoja. Todėl geležies kaupimasis žvaigždės centre signalizuoja apie artėjančią jos baigtį.
Kaip atsiranda sunkiausi Visatos elementai?
Kadangi geležis sustabdo įprastą termobranduolinį procesą, sunkesni elementai (pavyzdžiui, auksas, platina ar uranas) reikalauja išorinio energijos šaltinio – laisvųjų neutronų užgrobimo:
- s procesas (lėtasis): Vyksta raudonųjų milžinių stadijoje, kai branduoliai pamažu „gaudo“ pavienius neutronus ir virsta sunkesniais elementais.
- r procesas (greitasis): Šis procesas įmanomas tik katastrofiškų įvykių, pavyzdžiui, supernovų sprogimų metu. Milžiniškas neutronų srautas akimirksniu sukuria sunkiausius elementus, kurie vėliau išsviedžiami į kosminę erdvę.
Sintezės reikšmė šiuolaikiniam mokslui
Supratimas apie branduolių sintezę yra vienas didžiausių astrofizikos pasiekimų, leidžiantis mums atsakyti į esminius klausimus apie mus supančią aplinką.
Tai padeda mokslininkams nustatyti žvaigždžių amžių pagal jų cheminę sudėtį (metalingumą) ir suprasti, kaip galaktikos laikui bėgant „apsisėja“ gyvybei reikalingais elementais.
Be šių žinių būtų neįmanoma paaiškinti, kodėl Žemė turi tvirtą uolėtą paviršių ar kodėl mūsų organizmuose yra anglies ir deguonies. Branduolių sintezė įrodo, kad visa medžiaga, kurią matome aplink save, yra tiesioginis kosminių kataklizmų ir milijardus metų trukusios žvaigždžių veiklos rezultatas.
