Kolláth Zoltán

Energiatermelés a csillagokban - a csillagok élete

Az Ősrobbanás során és az azt követő folyamatokban csak a legkönnyebb elemek jöttek létre, úgymint a hidrogén, a hélium és néhány ezeknél nehezebb elem. Az összetettebb atommagokat a nagytömegű csillagok állították elő, így az élethez szükséges szén-, nitrogén-, oxigén-, a Föld anyagában is megtalálható alumínium-, szilícium-, vasatomokat stb. Hogyan keletkeztek tehát a nehezebb atommagok?

Közös néven termonukleáris reakciónak, fúziónak nevezzük a csillagok belsejében végbemenő folyamatokat, melyek során a könnyebb elemek atommagjaiból nehezebb elemek szintetizálódnak. Ehhez nagyon magas hőmérséklet és sűrűség kell, azért, hogy a pozitív töltésű atommagok az elektromos taszítást legyőzve elég közel kerülhessenek egymáshoz. Az említett feltételek a csillagok belsejében adottak.

A legfontosabb reakció folyamán 4 darab hidrogén atommagból (azaz protonból) egy héliumatommag keletkezik. A kiinduló és a keletkező termékek tömegkülönbsége az einsteini tömeg-energia ekvivalenciaelv értelmében energiaként felszabadul. A Hertzsprung-Russell-diagram fősorozatán a csillagok magjában (így a Napban is) ez a folyamat termeli az energiát nagyon hosszú ideig.

Az energiatermelő reakciókban seregnyi elemi részecske is keletkezik, így például rendkívüli áthatoló képességű neutrínók. Ezek közvetlenül hírt hoznak például a Nap magjában lezajló folyamatokról, mivel a fotonokkal szemben szinte azonnal kiszabadulnak és elérik a Földet. Tanulmányozásuk révén nemcsak a napról, de a neutrínókról is sokkal többet megtudtunk: így azt, hogy tömeggel rendelkeznek, és különböző fajtáik átalakulhatnak egymásba.

A csillagok csakúgy, mint az élőlények, születnek, élnek, elpusztulnak. Az életük hosszát, mely néhány százezer évtől milliárd évekig terjedhet, elsősorban is a tömegük határozza meg, másodsorban egyéb tényezők (pl. kémiai összetétel, van-e kísérője a csillagnak stb.). A nagyobb tömegű csillagok élete drasztikusan rövidül a kisebb tömegűekhez képest, kétszeres tömeg ötödakkora életkort, tízszeres tömeg 1/300-ad élettartamot jelent. A nagyobb tömegű csillagok ugyanis sokkal több energiát sugároznak ki, mint kisebb tömegű társaik, és jóval nagyobb ütemben fogyasztják a hidrogént a magjukban.

Ha a hidrogén mennyisége egy bizonyos szint alá csökken, akkor a csillag magjában már nem megy végbe a hidrogénégés, hanem a magot körülvevő héjban folytatódik. Ezzel párhuzamosan a csillag felfúvódik. A csillag magjában beindulhat a hélium átalakulása szénné, majd a szén, oxigén, neon stb. égése egészen a vasig. Ez utóbbi reakciók már csak a legnehezebb csillagokban mennek végbe. A vas fúziója már több energiabefektetést igényelne, mint amennyi energia felszabadul, ezért itt a nukleáris reakciók sora lezárul. Miután a legalább 6-8 naptömegű csillagok belsejében kialakult a vasmag, a csillag hatalmas robbanás, ún. szupernóvarobbanás során leveti a külső burkát, ezáltal teleszórja a csillagközi anyagot az előállított kémiai elemekkel. A következő generációs csillagok keletkezése pedig már ebből a feldúsult gázból indul meg.

A kisebb tömegű csillagok (pl. a Nap) nem robbannak fel, hanem magjuk héliumot vagy szenet-oxigént tartalmazó, nagy sűrűségű fehér törpévé alakul, miközben külső burkuk legyőzi a maradvány gravitációs vonzását, rövid ideig planetáris ködként ragyog, majd szétoszlik a csillagközi térben.

A földi életet és a csillagok életét tehát szoros szálak fűzik össze, s ha legközelebb feltekintük az égboltra, jusson eszünkbe, hogy a testünket alkotó atomok nagy része a csillagok belsejében keletkezett. Csillagporból vagyunk.