Rodzi się gwiazda

Wodór i hel są pozostałością po Wielkim Wybuchu; 1% „brudu” pochodzi z samych gwiazd i omówimy ten interesujący fragment samo wzbogacania się później. Termin „Wielki Wybuch” został pierwotnie wymyślony jako kpina przez brytyjskiego astronoma Freda Hoyle’a, który nie był gorącym zwolennikiem apokaliptycznych kosmicznych eksplozji. Jednak była tak opisowa, że ​​utknęła i stała się dumną nazwą dla całego zestawu teorii kosmologicznych opartych na idei, że cała masa i energia we Wszechświecie pierwotnie eksplodowała z fluktuacji kwantowej 10³⁰ razy mniejszej niż proton. Niedawne precyzyjne prace przy użyciu kosmicznych mikrofal wskazują, że Wielki Wybuch ma miejsce 13,7 miliarda lat temu. Obserwowane obfitości izotopów wodoru i helu2 w obłokach międzygwiazdowych zostały dokładnie porównane z obliczeniami, które izotopy powinny były powstać w ciągu kilku godzin po Wielkim Wybuchu i zgodność jest bardzo imponująca. To zasadniczo dowodzi, że Wielki Wybuch nie mógł wyprodukować żadnych pierwiastków w ilości innej niż wodór i hel, a także zapewnia potężną weryfikację samego Wielkiego Wybuchu.

Większość pierwotnego wodoru i helu wytworzonych podczas Wielkiego Wybuchu już dawno zapadła się w gwiazdy. Galaktyka Drogi Mlecznej składa się w tym momencie prawdopodobnie z 10% gazu i 90% gwiazd. Jednak 10% galaktyki to wciąż dużo gazu, co wystarcza do wytworzenia około 30 miliardów Słońc, więc nie brakuje nam nowonarodzonych gwiazd, które możemy obserwować. (  Więcej informacji na temat obłoków gwiazdotwórczych można znaleźć na Tablicy 5). I jak zawsze przy omawianiu gwiazd, pierwsze pytanie brzmi: jak zachowają się chmury, gdy są ściskane przez grawitację?

W tym przypadku jesteśmy w sferze ultra-cienkich, a nie ultra-skompresowanych. Atomy w obłoku międzygwiazdowym są tak daleko od siebie, że rzadko spotykają się na początkowych etapach rozpadu. Możesz myśleć o nich jak o kroplach deszczu spadających w kierunku środka chmury. Podobnie jak ziemskie krople deszczu, spadając nabiera prędkości. Ta energia kinetyczna jest ostatecznie zamieniana na ciepło, gdy zaczynają uderzać w siebie w ciągle kurczącym się obłoku międzygwiazdowym. (Efekt ogrzewania jest dość równoległy do ​​tego, co dzieje się wewnątrz tłoka silnika Diesla podczas cyklu sprężania, jeśli masz jakąkolwiek znajomość mechaniki samochodowej). Około połowa ciepła jest wypromieniowywana podczas kurczenia się chmury; druga połowa pozostaje uwięziona w protogwiazdy. Na początku zapaści temperatura chmury gazu jest zwykle bardzo niska, ma tylko kilka stopni Kelvina (około -450 F°) i początkowo ma średnicę kilku lat świetlnych. Pod koniec promień skurczy się do kilku milionów mil – objętość zmniejszy się około 1018 razy – a jego temperatura powierzchni osiągnie około 4000 K°. Temperatura w jej wnętrzu wynosi zwykle powyżej dziesięciu milionów K°.

Nowo narodzona gwiazda jest zatem bardzo gorącym, świecącym obiektem – tak jak kiedyś planety w naszym Układzie Słonecznym, ponieważ planety zasadniczo rodzą się z tej samej zapadającej się materii międzygwiazdowej, co ich gwiazdy macierzyste. Krytyczna różnica między nowonarodzonymi gwiazdami a planetami jest taka: planeta po prostu ochładza się po utworzeniu, ale gwiazda jest tak masywna, że wzrastająca temperatura i ciśnienie w jej jądrze wywołują reakcje jądrowe i zaczyna wytwarzać energię.

Źródło energii gwiazdy

Z definicji gwiazda jest obiektem, który „spala” wodór poprzez syntezę jądrową. Ta ścieżka wyzwalania energii jądrowej różni się od tej używanej przez ludzi w przypadku łodzi podwodnych, elektryczności i tak dalej. Używamy rozszczepienia jądrowego. Szlak rozszczepienia wykorzystuje ogromne, rozdęte, radioaktywne jądra na końcu układu okresowego pierwiastków, takie jak uran lub pluton (pierwiastki #92 i #94). Rozszczepienie jądra jest zilustrowane na Rysunku 2. Kiedy ciężkie jądra są rozszczepiane (lub rozbijane) na lżejsze jądra, takie jak bar lub krypton, dosłownie eksplodują, uwalniając ogromne ilości energii. Droga rozszczepienia energii jądrowej jest w pewnym sensie podobna do rozbicia zbiornika z wybuchowymi chemikaliami.

Fuzja jądrowa działa dokładnie w przeciwnym kierunku: bardzo lekkie i doskonale stabilne jądra na początku układu okresowego są łączone (łączone) w cięższe jądra, zapewniając uwolnienie energii nawet większe niż w przypadku rozszczepienia jądra. Podobnie jak większość gwiazd, Słońce łączy najlżejszy pierwiastek, wodór, z drugim najlżejszym – helem. Wodór ma masę atomową jeden, a hel – cztery, co oznacza, że cztery jądra wodoru muszą zostać połączone w jedno jądro helu. Jak to się dzieje? Czy istnieje okropny wrak pociągu wodorowego, w którym cztery wodory zderzają się w tym samym miejscu w tym samym czasie?

Nie dokładnie. To byłoby niezwykle nieprawdopodobne. Fuzja wodoru zachodzi w etapach, takich jak:

Krok 1)   Zderzają się dwa protony, czyli jądra wodoru. Zdarza się, że dwa protony nie połączą się ze sobą (ich odpychanie elektrostatyczne jest zbyt duże), ale nie martw się. Od czasu do czasu, zanim zderzające się protony mogą się rozdzielić, siły jądrowe³  powodują, że jeden z protonów zamienia się w neutron! Jak wspomniałem wcześniej (w poprzedniej sekcji), protony i neutrony mają swoje własne stany kwantowe. Nie powiedziałem wam, że proton i neutron są stanami kwantowymi i dlatego mogą wymieniać się tożsamościami! Bez oszukiwania⁴. Jądro powstałe w wyniku zderzenia jest więc parą proton-neutron. Jest to izotop wodoru, który można nazwać wodorem-2, ale fizycy zwykle nazywają go deuterem. W symbolach, gdzie p reprezentuje proton, n reprezentuje neutron, reakcja to: p + p -> np + energia + (inne cząstki zwane neutrinami, które nas tutaj nie dotyczą; omówię je później).

Krok 2)   Proton zderza się z deuterem. Przykleja się, dając nam 2 protony + 1 neutron = hel-3. W symbolach:
np + p -> ppn + energia.

Krok 3)   Zderzenie dwóch helu-3. W powstałej kuli ognia jądra helu-3 przestawiają się w jeden hel-4 i dwa protony. W symbolach:  ppn + ppn -> pnpn + p + p + energia. Fuzja protonu z helem-3 może wydawać się bardziej prawdopodobnym trzecim krokiem, ale to stworzyłoby ppn + p -> pppn, czyli lit-4, a nie hel-4. Lit-4 jest tak niestabilny, że prawie się rozpada, zanim zostanie utworzony, a zatem ta ścieżka reakcji praktycznie nie przyczynia się do produkcji energii słonecznej.

W rezultacie cztery atomy wodoru stały się jednym helem. Ten trzyetapowy proces nazywany jest łańcuchem pp i został zilustrowany powyżej. Jest głównym źródłem energii dla większości gwiazd.

Można się zastanawiać, dlaczego ConEd, Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych itp. Używają rozszczepienia jądrowego zamiast syntezy jądrowej, biorąc pod uwagę, że: 1) synteza jądrowa wytwarza więcej energii, 2) fuzja spala wodór = H₂O = woda jako paliwo, podczas gdy rozszczepienie wykorzystuje rzadkie i drogie, radioizotopy, 3) synteza wodoru wytwarza znacznie mniej odpadów radioaktywnych niż rozszczepienie, ponieważ jej produkt reakcji jest nieradioaktywny, oraz 4) procesy syntezy jądrowej nie mogą mieć wypadków „stopienia”, takich jak rozszczepienie.

Prosta odpowiedź jest taka, że ​​fuzja jądrowa jest strasznie trudna do zainicjowania. W przypadku rozszczepienia wszystko czego potrzeba to pojedyncze jądro, które jest już niestabilne (tj. Radioaktywne), a następnie można je „rozbić” stuknięciem z rozpędzonego neutronu, jak pokazano na Rysunku 2. Neutrony nie mają ładunku elektrycznego, więc nic nie stoi na przeszkodzie, aby zbliżyły się do dowolnego atomu. W przypadku fuzji musisz wziąć jądra, które są lekkie, stabilne i co najgorsze, dodatnio naładowane i przekonać je do połączenia się. Jądra zaciekle odpychają się elektrostatycznie, a im ściślej się zbliżają, tym bardziej zaciekle odpychają. (Patrz Tablica 6 dla ilustracji). Ponieważ siły jądrowe mają bardzo krótkie zasięgi, mogą przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne i zainicjować fuzję tylko wtedy, gdy jądra znajdują się dosłownie jeden na drugim. Dlatego atomy w gazie topiącym się muszą poruszać się z ogromnymi prędkościami, aby zbliżyć się do tak bliskiego dystansu, tj. Gaz musi zostać podniesiony do niesamowitych temperatur i ciśnień, zanim będziecie mieli jakąkolwiek nadzieję na wydobycie z niego jakiejkolwiek energii.

Obecnie jedynym sposobem, w jaki możemy zainicjować fuzję wodoru, jest użycie rozszczepienia jądrowego: tak zwana bomba „wodorowa” wykorzystuje eksplozję bomby plutonowej do (bardzo krótkiego) zapłonu niekontrolowanej fuzji izotopów wodoru, deuteru i trytu. Nie możemy kontrolować syntezy jądrowej, chociaż w ciągu ostatnich 40 lat przeprowadzono wiele badań na ten temat. Słońce unika tych problemów i stapia wodór poprzez jego ogromną masę. Ciśnienie w jej środku ściska tam gaz do czternastokrotnie większej gęstości ołowiu. Temperatura wynosi 15 milionów K°.

Jednak mimo że te liczby są ekstremalne, nadal nie są one wystarczająco duże, aby spowodować szybką syntezę wodoru. W rzeczywistości są one ledwo wystarczająco duże, aby w ogóle zapalić jakąkolwiek fuzję wodoru! Możesz się zastanawiać, co mam na myśli, mówiąc „ledwo”, biorąc pod uwagę, jak jasne jest Słońce, i mam na myśli to: Słońce świeciło od 4,5 miliarda lat⁵, a spaliło tylko 5% paliwa wodorowego! Gdybyś nigdy nie prowadził samochodu, ale codziennie otwierał korek wlewu paliwa na jedną sekundę, aby wypuścić trochę oparów, zużywałbyś paliwo szybciej niż robi to Słońce. Jest to trudne do osiągnięcia fuzję. Oto kilka liczb, które ilustrują, co mam na myśli:

A)   Jasność Słońca (całkowita moc wyjściowa) = 3,86 x 10²³  kilowaty. Przy obecnym globalnym poziomie konsumpcji światowa populacja zajęłaby 792 000 lat, aby zużyć energię wytwarzaną przez Słońce w ciągu jednej sekundy. Astronomowie określają tę ilość mocy jako L_o, czyli jedną jasność Słońca.

B)   Energia wyprodukowana w wyniku syntezy jądrowej jednego kilograma (dwóch funtów, 3 uncji) wodoru wynosi 177 720 000 kilowatogodzin (!!). Odpowiada to ilości energii wystarczającej do zasilania przeciętnego amerykańskiego gospodarstwa domowego przez 3000 lat.

C)   Dzielenie jasności słonecznej (A) przez uzysk energii z jednego kilograma wodoru (B) mówi nam, ile kilogramów wodoru należy spalić w ciągu sekundy, aby zasilić Słońce: 603 miliardy. Aby wydobyć tak duży tonaż, trzeba by dziennie wykopać cały stan Illinois na głębokość 1000 stóp. W przybliżeniu.

D)   Masa Słońca wynosi 1,99 X 10³⁰  kilogramów = 332,900 razy masa Ziemi. Dzieląc to na 603 miliardy kilogramów obliczonych w (C), otrzymujemy ułamek Słońca spalany w każdej sekundzie: 3 X 10^-19. Jest to mniej więcej taki sam stosunek, jak przy porównaniu jednego grosza do produktu gospodarczego brutto całego świata przez następne 1000 lat. W ten sposób widzimy, jak Słońce paradoksalnie udaje się wypromieniowywać tyle energii, a mimo to spalać (prawie) żadnego paliwa w stosunku do swojego rozmiaru. Jego ogromna masa przekłada się nawet na nanoskopowe procenty spalanego wodoru na równowartość milionów bomb wodorowych wybuchających na sekundę.

Podsumowując, gwiazdy takie jak Słońce wykorzystują ciśnienie przegrzanych gazów, aby powstrzymać nieubłaganą siłę grawitacji. Jeszcze lepsze i przyjemniejsze (jeśli jesteś astronomem), źródłem ciepła dla gazów jest naturalny reaktor jądrowy. Oznacza to, że gwiazdy są znacznie bardziej gwałtowne i dynamiczne niż planety, aw następnej sekcji rozważymy niektóre z konsekwencji tego.

1 – Rok świetlny to odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego roku. Wiele osób uważa, że rok świetlny to jednostka czasu, ale tak nie jest. Jest to jednostka odległości. Prędkość światła wynosi 186282 mil/s, więc rok świetlny to (186282 mil/s) x (s/rok) = 5,878 bilionów mil. Astronomowie używają również minut świetlnych (odległość, jaką światło pokonuje w ciągu minuty), godzin świetlnych itp. Odległość między Ziemią a Słońcem wynosi zatem 93 miliony mil lub 8,3 minut świetlnych, jak sobie życzysz.

2 – Izotopy to jądra o tej samej liczbie protonów (to ten sam pierwiastek), ale o różnej liczbie neutronów. Izotopy są oznaczane przez umieszczenie liczby na nazwie pierwiastka: np. Węgiel-14, gdzie 14 oznacza, że ​​liczba protonów i neutronów równa się 14. Wyjątkiem jest wodór: wodór-2 to deuter, a wodór-3 to tryt.

Tablica 5

3 – Istnieją dwie siły nuklearne, w wyobraźni określane odpowiednio jako „silne” i „słabe”, ponieważ jedna silna jest około miliard razy silniejsza od drugiej. W przeciwieństwie do grawitacji lub elektromagnetyzmu, zakresy sił jądrowych są ostro ograniczone do odległości jądrowych, ale w obrębie jądra siła ta jest znacznie potężniejsza niż jakakolwiek inna. Silna siła jest odpowiedzialna za wielką siłę reakcji jądrowych; Słaba siła jest bardziej subtelna i jest odpowiedzialna za kilka rodzajów rozpadu radioaktywnego.

4 – Kwarki to cząstki subjądrowe, które tworzą między innymi proton i neutron. Kwarki chętnie wymieniają się tożsamością, jak aktorzy zmieniający kostiumy, i zrobią to za każdym razem, chyba że z powodu braku energii będzie to zabronione. Przykładowo, proton jest jedyną kombinacją kwarków, która jest stabilna jako wolna cząstka, z tego prostego powodu, że jest to najlżejsza (najmniej energetyczna) kombinacja kwarków z możliwych. Ponieważ kwarki nie mogą tworzyć innej kombinacji, dopóki nie zostanie dodana energia, proton nie może się zmienić, dopóki nie zostanie zaangażowany w gwałtowne zderzenie. Jednak po zainicjowaniu fuzji kwarki mogą się zmieniać, a zatem proton może nagle stać się neutronem.

Tablica 6

5 – Jeśli zastanawiasz się, skąd pochodzi ta liczba, pochodzi ona z teorii astrofizycznej, wieku Ziemi określanego na podstawie rozważań geofizycznych, a najdokładniej z datowania radioaktywnego najstarszych znanych meteorytów.