נוקליאוסינתזה כוכבית

נוקליאוסינתזה כוכבית (באנגלית: Stellar nucleosynthesis) היא תאוריה מדעית ומונח המשמש לתיאור הנוקליאוסינתזה, כלומר תגובות הגרעיניות המייצרות גרעינים חדשים, המתרחשות בכוכבים ובונות את היסודות הכבדים.

חתך רוחב של ענק אדום שבו ניתן לראות את הנוקליאוסינתזה ויצירת היסודות

תחילת הפענוח של התהליך התרחשה בראשית המאה ה-20, כאשר התברר לראשונה כי האנרגיה המשתחררת בתגובות גרעיניות אחראית לאורך חייה של השמש כמקור חום ואור. תהליך הפקת האנרגיה העיקרי בשמש הוא היתוך גרעיני של מימן והפיכתו להליום, כאשר הטמפרטורה הנמוכה ביותר שבה התהליך מתרחש היא כ-3 מיליון קלווין.

היסטוריה

ארתור אדינגטון היה הראשון שהציע ב-1920 שהכוכבים מפיקים אנרגיה באמצעות היתוך מימן והליום, תוך התבססות על מדידותיו של פרנסיס ויליאם אסטון. ג'ורג' גאמוב הסיק ב-1928 שניתן לתאר את מה שמכונה כיום גורם גאמוב בנוסחה קוונטית. הנוסחה נתנה את ההסתברות לקרב שני גרעיני אטום במידה מספקת על מנת שהכוח הגרעיני יתגבר על מחסום קולון. גורם גאמוב שימש את אטקינסון ופריץ הוטרמנס בעשור שלאחר מכן, ומאוחר יותר את גאמוב עצמו ואדוארד טלר, על מנת לגזור את הקצב שבו תגובות גרעיניות יתרחשו בטמפרטורה הגבוהה שבגרעיני כוכבים.

במאמר משנת 1939 בשם "Energy Production in Stars" (ייצור אנרגיה בכוכבים) הנס בתה ניתח את האפשרויות השונות עבור תגובות שבהן מימן מותך להליום. בתה בחר בשני תהליכים שהוא האמין כי הם מקור האנרגיה של הכוכבים. התהליך הראשון, שרשרת פרוטון-פרוטון, הוא התהליך הדומיננטי בכוכבים שמסתם קרובה לזו של השמש. התהליך השני, מעגל הפחמן-חנקן-חמצן, שנחקר על ידי קארל פרידריך פון ויצאקר ב-1938, הוא תהליך חשוב בכוכבים כבדים ביחס לשמש. המחקרים הללו עסקו ביצירת אנרגיה המספיקה לשמירת חומו של הכוכב. אולם, המחקרים לא עסקו ביצירתם של גרעינים כבדים. פרד הויל היה הראשון שהחל לחקור בנושא ב-1946, והוא טען שאוסף של גרעינים חמים מאוד יותך לברזל^[1]. הויל המשיך בעבודתו ב-1954 עם מאמר מורחב שבו תיאר כיצד שלבי ההיתוך המתקדמים יגרמו ליצירת יסודות הנמצאים בין הפחמן לברזל בטבלת היסודות.

הפגמים בתאוריה של גאמוב החלו להצטבר במהירות, והתחלת האירועים הללו הייתה עם פרסומו של מאמר ביקורת ב-1957 על ידי מרגרט ברבידג', ג'פרי ברבידג', ויליאם אלפרד פוֹלֶר ופרד הויל עצמו^[2]. במאמר זה קובצו והוגדרו המחקרים הקודמים, ועל פיהם נבנתה תמונה רחבה שסיפקה הסבר טוב לשכיחות היחסית של היסודות. שיפורים משמעותיים נוספים נוצרו על ידי אלסטיר קמרון ודונלד קלייטון. קמרון הציג תאוריה משלו (בהשראתו של הויל) על הנוקליאוסינתזה. הוא שילב מחשבים בפתרון חישובים תלויי-זמן הנוגעים לאבולוציה של מערכות גרעיניות. קלייטון חישב לראשונה באופן התלוי בזמן את תהליך s, תהליך r, שריפת צורן והפיכתו ליסודות מקבוצת הברזל. הוא גם גילה את הכרונולוגיה הרדיוגנית הדרושה על מנת לקבוע את גילם של היסודות. שדה המחקר כולו פרח בשנות ה-70.

תגובות עיקריות

התגובות החשובות ביותר בנוקליאוסינתזה כוכבית הן:

• שריפת מימן:
  • שרשרת פרוטון-פרוטון (p-p chain)
  • מעגל הפחמן-חנקן-חמצן (CNO cycle)
• שריפת הליום
  • תהליך אלפא המשולש
  • תהליך אלפא
• שריפת יסודות כבדים:
  • שריפת פחמן
  • שריפת ניאון
  • שריפת חמצן
  • שריפת צורן
• יצירת יסודות כבדים מברזל:
  • לכידת נייטרון:
    • תהליך r
    • תהליך s
  • לכידת פרוטון:
    • תהליך rp
  • התפרקות פוטונית:
    • תהליך P

לקריאה נוספת

• H. A. Bethe, Energy Production in Stars, Physical Reviews, 1939, volume 55, issue 1, pages 103, doi 10.1103/PhysRev.55.103 (subscription needed)
• H. A. Bethe, Energy Production in Stars, Physical Reviews, volume 55, issue 5, pages 434-456, doi 10.1103/PhysRev.55.434 (subscription needed)
• F. Hoyle, On Nuclear Reactions occurring in very hot stars: Sysnthesis of elements from carbon to nickel, Astrophys. J., 1954, issue Supplement 1, pages 121-146

E.M. Burbidge, G.R. Burbidge, W.A. Fowler, F. Hoyle, "Synthesis of the Elements in Stars". Reviews of Modern Physics. 29 (4): 547-650 (1957). doi:10.1103/RevModPhys.29.547 ׂ(B²FH)

• Clayton, Donald D. (1968). Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis. New York: McGraw-Hill.
• Alak K. Ray (2004) Stars as thermonuclear reactors: their fuels and ashes (arxiv.org article)
• G. Wallerstein, I. Iben Jr.; P. Parker; A.M. Boesgaard; G.M. Hale; A. E. Champagne; C.A. Barnes; F. Käppeler; V.V. Smith; R.D. Hoffman; F.X. Timmes; C. Sneden; R.N. Boyd; B.S. Meyer; D.L. Lambert, Synthesis of the elements in stars: forty years of progress, Reviews of Modern Physics, 1999, volume 69, issue 4, pages 995-1084, Retrieved on 2006-08-04
• S. E. Woosley, A. Heger; T. A. Weaver, The evolution and explosion of massive stars, Reviews of Modern Physics, 2002, volume 74, issue 4, pages 1015-1071
• Clayton, Donald D. (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0521823811.

קישורים חיצוניים

• כיצד השמש זוהרת מאת ג'ון נ. באהקול
• נוקליאוסינתזה באתר NASA (אורכב 20.01.2009 בארכיון Wayback Machine)
• פרופ' דניאל זייפמן, אבק של כוכבים חלק ראשון, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 7 ביולי 2011
• פרופ' דניאל זייפמן, אבק של כוכבים חלק שני, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 7 ביולי 2011

הערות שוליים

1. The synthesis of the elements from hydrogen, F. Hoyle, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, volume 106, pages 343-383, 1946
2. Synthesis of the Elements in Stars, E. M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, F. Hoyle, Reviews of Modern Physics, volume 29, issue 4, pages 547-650, 1957, doi 10.1103/RevModPhys.29.547