ENERGIATERMELÉS A CSILLAGOKBAN
A csillag belsejére külső rétegei hatalmas nyomással nehezednek. A nagy
nyomás és hőmérséklet következtében az anyag szabad elektronok és atommagok
keverékére bomlik, ionizált állapotba kerül, ezt nevezzük plazmának. Az
atommagok a heves hőmozgás következtében nagysebességgel ütköznek egymásnak,
és időnként összetapadnak: fúziós reakciókat hoznak létre. Ehhez rendkívül
heves hőmozgás, azaz rendkívül magas hőmérséklet kell, ezért csak a csillag
központi tartományában, a magban zajlanak. A csillagokban is, mint a
Világegyetemben mindenhol a hidrogén a leggyakoribb elem, így életük
legnagyobb részében hidrogén atommagokból hélium atommagokat építenek fel. A
folyamat során négy proton (azaz négy hidrogén atommag) hoz létre két
protonból és két neutronból álló hélium atommagot. A reakció lényege, hogy a
négy alkotórész tömege külön-külön nagyobb, mint a keletkezett atommag
teljes tömege. A kettő közötti különbség a tömegdefektus, a kötési energia -
ez az ami a fúzió során felszabadul. (Amennyiben visszafelé akarjuk játszani
a reakciót, és alkotóira szeretnénk szétválasztani a hélium atommagot,
energiát kell befektetnünk - amennyit az egyesítés során kaptunk - ez pedig
megnöveli az egyes részecskék reakció utáni tömegét.)
4 db H atommag tömege külön-külön: 6,694x10^-24 g
1 db He atommag tömege 6,645x10^-24 g
Különbség: 4,82x10^-26 g
Tömegdefektus: 0,7%
Az eredeti tömeg 0,7%-a szabadul fel energia formájában, ez a csillag
sugárzásának forrása. Többféle energiatermelő folyamat játszódik le a
fősorozati csillagok belsejében, ezek közül a két legfontosabbat ismertetjük
az alábbiakban.
Proton-proton reakció: Ebben a folyamatban első lépésként két proton
kapcsolódik össze, amihez 10^-13 cm-re kell meg közelíteniük egymást - a
nukleonokat összetartó magerő ugyanis ilyen távolságban képes legyőzni a két
azonos töltésű proton között fennálló elektromágneses taszítást. A protonok
ütközése a taszítás miatt általában rugalmas, csak nagyon ritkán kerülnek
annyira közel egymáshoz, hogy összetapadjanak. (Mivel a csillag belsejében
hatalmas mennyiségű anyag található, egyetlen másodperc alatt is rendkívül
sok összekapcsolódás jön létre.) Ilyenkor egy deutériummag keletkezik, az
egyik proton ugyanis egy pozitron és egy neutrínó kibocsátása közben
neutronná alakul. Az eltávozó pozitron egyesül egy elektronnal és
elektromágneses sugárzás keletkezik. A következő lépésben a deutériummag egy
harmadik protonnal találkozik, amelyet magába épít, és He3 izotópot hoz
létre elektromágneses sugárzás kibocsátása közben. Ezután általában egy
magához hasonló He3 izotóppal lép kölcsönhatásba, és egy négyes tömegszámú
héliummag jön létre, két proton felszabadulásával. Egy héliummag keletkezése
során 4,1x10^-5 erg (26,2 MeV) energiával lesz gazdagabb a csillag. (Az
energia egy részét a neutrínók elviszik.)
Szén-nitrogén ciklus: Ennek során ugyancsak hélium atommagok keletkeznek
de szén és nitrogén katalizátor közreműködésével. Egy C12 mag és egy proton
ütközésekor elektromágneses sugárzás keletkezik, és egy N13 atommag jön
létre. Ez azonban nem stabil, és egy pozitron valamint egy neutrínó
kibocsátásával C13 izotóppá alakul. A pozitron elektronnal találkozva
sugárzás formájában megsemmisül. A C13 mag egy protonnal való ütközés után
N14 maggá alakul elektromágneses sugárzás kibocsátása közben. A nitrogénmag
egy további protonnal ütközve instabil O15 maggá alakul, ismét
elektromágneses sugárzás kibocsátásával. Ezután az O15 mag N15 magra, és egy
pozitronra valamint egy neutrínóra esik szét. Majd az N15 mag protonnal
találkozik és C12 mag, valamint He4 keletkezik belőle. A neutrínók
energiájának figyelembevétele nélkül 4x10^-5 erg (25 MeV) energia szabadul
fel egy hélium atommag kialakulása során.
A fősorozati csillagokban mindkét reakció folyik. Az, hogy a kettő közül
melyik zajlik le nagyobb számban, a csillagban uralkodó hőmérséklettől függ
- ez pedig a csillag tömegétől. A kisebb tömegű csillagokban a proton-proton
reakció révén, a nagyobb tömegűekben a szén-nitrogén ciklus által szabadul
fel több energia. Központi csillagunk belsejében 14-15 millió fok uralkodik,
így itt a proton-proton reakció dominál, azonban a Napnál nem sokkal nagyobb
tömegű égitesteknél már a szén-nitrogén ciklus veszi át a főszerepet.
A csillag a fősorozaton stabil állapotban, mechanikai és termikus
egyensúlyban van. A csillag belsejében uralkodó nyomás a gáznyomásból és a
sugárnyomásból (a sugárzás formájában felszabaduló energiából) tevődik
össze. Az esetleges túl nagy energiafelszabadulás kinyomja a külső
rétegeket, megnöveli a mag térfogatát. Ennek következtében csökken a fúziós
reakciók száma és így a belső nyomás is, ekkor összébb húzódik a csillag. A
folyamat egyensúlyban tartja az égitestet, ezért a csillagok önszabályozó
termonukleáris reaktoroknak is tekinthetők. A csillag anyaga termikus
egyensúlyban is van. A belsejében felszabaduló energiának egyenlőnek kell
lennie a világűrbe kisugárzott energiával, és nem lehetnek benne olyan
tartományok, amelyek állandóan melegednének vagy hűlnének.