Csillagok energiatermelése

A csillag belsejére külső rétegei hatalmas nyomással nehezednek. A nagy nyomás és hőmér-séklet 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 atom-magokból 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 mennyi-ségű 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 elektromág-neses 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.