Warto przeczytać

Niewielkie świecące punkciki, które każdy widział na nocnym niebie, to tak naprawdę ogromne kule gorącego gazu. Jest kilka wyjątków, które można odróżnić po stałym, nie zmieniającym się wskutek „mrugania” blasku - to są planety. Gwiazdy, które widzimy, są oddalone od nas o kilka, kilkanaście, niekiedy nawet o setki lat świetlnych (1 rok świetlny to odległość równa około 10Indeks górny 13¹³ km). Nasze Słońce jest oddalone od Ziemi o zaledwie 150 mln km, dzięki temu w ciągu dnia tak skutecznie oświetla i ogrzewa Ziemię. Z kolei planety (w tym Ziemia) i inne ciała niebieskie praktycznie nie świecą – jedynie odbijają światło od Słońca.

Reakcje termojądrowe

Dlaczego tak się dzieje? Otóż źródłem emitowanej energii są reakcje jądrowe zachodzące we wnętrzu gwiazd. Te reakcje to łączenie jąder lżejszych pierwiastków w cięższe, zwane reakcjami termojądrowymifuzja termojądrowareakcjami termojądrowymi. Stanowią one kategorię wysoce wydajnych, egzoenergetycznych reakcji, bardzo często wieloetapowych. Najprostsze polegają na oddziaływaniu protonów ze sobą i powstawaniu w wyniku tego neutronów. Te następnie łączą się z protonami i tworzą cięższe jądra, na przykład deuteru czy helu.

Reakcje termojądrowe tylko dla gwiazd

Do rozpoczęcia reakcji termojądrowej i utrzymania jej stabilnego przebiegu potrzebne są odpowiednio wysoka temperatura i duża gęstość materii. Planety i tak zwane brązowe karłybrązowy karzełbrązowe karły (Rys. 1.) mają zbyt małą masę i zbyt niską temperaturę, aby zapoczątkować stabilny przebieg takich reakcji.

RxMZiFvRjOBHR

Rys. 1. Ilustracja przedstawia brązowego karła na ciemnym tle Kosmosu. Ta artystyczna forma prezentuje planetę tak, że z wnętrza kuli imitującej planetę prześwituje ogniste światło.

Wprowadza się podział największych ciał niebieskich na trzy grupy ze względu na początkową masę obłoku materii, z którego się formują oraz na temperaturę, jaką może osiągnąć wnętrze takiego obłoku:

• planety: masy poniżej około 13 mas Jowisza, czyli $M$ < 2,5 · 10Indeks górny 28²⁸ kg oraz temperatury wnętrza poniżej miliona kelwinów;

• brązowe karły: masy większe niż 13 mas Jowisza, lecz mniejsze niż około 80 mas Jowisza, czyli 2,5 · 10Indeks górny 28²⁸ kg < $M$ < 15 · 10Indeks górny 28²⁸ kg oraz temperatura wnętrza rzędu kilku milionów kelwinów;

• gwiazdy: masy powyżej 80 mas Jowisza, czyli $M$ > 15 · 10Indeks górny 28²⁸ kg (masa Słońca w tej skali to 200 · 10Indeks górny 28²⁸ kg, czyli około tysiąca mas Jowisza) i temperaturach rzędu dziesięciu milionów kelwinów i więcej.

R15t7QErAnfcn

Rys. 2. Na ilustracji widoczne jest porównanie wielkości kilku ciał niebieskich narysowanych w postaci kul, od najmniejszej, znajdującej się w dolnym prawym rogu do największej, w lewym górnym rogu ilustracji. Najmniejsza jest Ziemia narysowana w postaci małej niebieskiej kulki. Następnie widoczny jest Jowisz w postaci szarej kuli w niebieskie pasy, wielokrotnie większej od Ziemi. Następnym ciałem niebieskim jest brązowy karzeł narysowany w postaci purpurowej kuli o średnicy mniej więcej o połowę większej niż średnica Jowisza. Powyżej widoczna jest gwiazda małomasowa w postaci czerwonej kuli o średnicy około dwukrotnie większej niż średnica brązowego karła. Największe na ilustracji jest Słońce narysowane w postaci szarej kuli o promieniu znacznie większym niż gwiazda małomasowa.

Podział ten pozwala wyróżnić gwiazdy jako obiekty wystarczająco masywne, by w ich wnętrzu rozpoczęły się i stabilnie przebiegały reakcje termojądrowe.
Planety i mniejsze ciała niebieskie mają zbyt mało materii, są zbyt chłodne, aby zaszły w ich wnętrzach jakiekolwiek procesy termojądrowe, których wynikiem jest świecenie.
W brązowych karłach natomiast dochodzi, losowo, do zainicjowania nietrwałych przemian jądrowych: deuteru z wodorem oraz litu z wodorem. Obszary objęte takimi reakcjami są niewielkie, a wydzielana energia nie wystarcza na podtrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury takiego obszaru. Przez to reakcje te są bardzo nietrwałe i nie stanowią stabilnego źródła energii w skali całego wnętrza obiektu. Dlatego brązowe karły nie są uznawane za gwiazdy, ani też za planety.

Gwiazdy małomasywne i cykl protonowy

Gwiazdy małomasywne to takie, które po uformowaniu się z mgławicy miały początkową masę mniejszą niż 1,5 masy obecnego Słońca:

czyli

Głównym źródłem energii w małomasywnych gwiazdach, gdy są one we wczesnym stadium swego życia i występują na ciągu głównymgwiazdy ciągu głównegociągu głównym, jest seria reakcji termojądrowych nazywana cyklem protonowym.

Reakcje w cyklu protonowym mogą przebiegać różnymi ścieżkami. Całościowy bilans tego cyklu można schematycznie zapisać jako:

Oznacza to, że z czterech protonów (czterech jąder wodoru) otrzymujemy jedno jądro czwartego izotopu helu, dwa pozytonypozytonpozytony (${\mathrm{e}}^{+}$), dwa neutrina elektronoweneutrinoneutrina elektronowe (${\nu }_e$) oraz  fotony, najczęściej dwa lub trzy.

Bilans energetyczny cyklu protonowego

Cykl ten ma charakter egzoenergetyczny. Połączenie czterech protonów w jądro czwartego helu powoduje wydzielenie około 26 MeV (megaelektronowoltów) energii. Neutrina unoszą od połowy do jednego megaelektronowolta energii bezpośrednio poza gwiazdę; reszta pozostaje w gwieździe w postaci energii kinetycznej produktów reakcji. Ta jest stopniowo przetwarzana w  energię wewnętrzną gwiazdy, przekazywana ku jej powierzchni, skąd jest emitowana w przestrzeń, głównie w postaci promieniowania elektromagnetycznego, ale także strumienia naładowanych cząstek, zwanych wiatrem słonecznym.
Oba pozytony anihilująpozytonpozytony anihilują z elektronami obecnymi we wnętrzu gwiazdy. Każdy proces anihilacji zwiększa energię wewnętrzną gwiazdy o około 1 MeV.

Wydzielona energia $\mathrm{\Delta }E$ związana jest ze zmniejszeniem się masy produktów reakcji w porównaniu z substratami o $\mathrm{\Delta }m$, zgodnie z równaniem

Choć $\mathrm{\Delta }m$ stanowi niecały procent masy czterech protonów będących substratami reakcji, to gwiazda taka jak nasze Słońce zmniejsza swą masę w tempie milionów ton na sekundę.

Przebieg ścieżki ppI cyklu protonowego

Jedna ze ścieżek cyklu protonowego, najkrótsza, nazywana jest ppI. Składają się na nią trzy reakcje, w których uczestniczą jedynie protony i powstałe z nich jądra deuteru oraz trzeciego i czwartego izotopów helu. W tym sensie jest to ścieżka najmniej wymagająca, gdyż nie wymaga obecności żadnych innych, bardziej złożonych jąder atomowych. Ścieżka ppI nie wymaga też temperatur powyżej 10 milionów kelwinów - dominuje ona więc w gwiazdach młodych.

W pierwszej reakcji ścieżki ppI, zderzają się dwa protony i dają w wyniku deuterondeuterondeuteron, czyli jądro deuteru (jest to drugi izotop wodoru; stan związany protonu i neutronu) oraz pozytonpozytonpozyton i neutrinoneutrinoneutrino.

$1.{}_1^1\mathrm{H}+{}_1^{1}H\to {}_1^{2}H+e^{+}+{\nu }_e,$

W drugiej reakcji tej ścieżki deuteron zderza się z protonem tworząc trzeci izotop helu; towarzyszy temu emisja fotonu.

$2.{}_1^{1}H+{}_1^{2}H\to {}_2^{3}He+\gamma ,$

W reakcji trzeciej, dwa jądra helu trzy tworzą jądro helu cztery, czemu towarzyszy emisja dwóch protonów.

$3.{}_2^{3}He+{}_2^{3}He\to {}_2^{4}He+2{}_1^{1}H,$

Bez trudu zauważysz, że na jedną reakcję (3) muszą przypadać po dwie reakcje (1) oraz (2).

Udział ścieżki ppI w produkcji energii w Słońcu to niecałe 70%. Wynika to faktu, że jest ono gwiazdą w „wieku średnim” - temperatura w jego wnętrzu wynosi około piętnastu milionów kelwinów i powstały już w nim jądra pierwiastków cięższych, niż hel. Chodzi tu o lit, beryl i bor - jądra tych pierwiastków umożliwiają realizację dwóch pozostałych ścieżek cyklu protonowego.

Ścieżki ppII i ppIII cyklu protonowego

Wraz ze wzrostem temperatury wewnątrz gwiazdy i pojawieniem się coraz większych ilości jąder helu, litu, berylu i boru, coraz wydajniejsze stają się dwie kolejne ścieżki cyklu protonowego: ppII i ppIII. Na rys. 3. pokazano schematy reakcji we wszystkich trzech ścieżkach:

R10489k5urtIT

Rys. 3. Na ilustracji widoczny jest przebieg trzech ścieżek cyklu protonowego. Każdy etap cyklu opisany jest w oddzielnej prostokątnej niebieskiej ramce. W pierwszej u góry widoczne są dwie reakcje chemiczne: suma dwóch jąder atomu wodoru indeks dolny jeden indeks górny jeden wielka litera H przechodzi w jądro deuteru indeks górny dwa indeks dolny jeden wielka litera H dodać pozyton mała litera e i indeks górny plus dodać neutrino mała grecka litera ni z indeksem dolnym mała litera e. Druga reakcja opisuje efekt sumy jądra deuteru indeks górny dwa i indeks dolny jeden wielka litera H oraz jądra wodoru indeks górny jeden indeks dolny jeden wielka litera H do postaci jądra izotopu helu indeks górny trzy indeks dolny dwa wielka litera H mała litera e dodać kwant promieniowania elektromagnetycznego mała grecka litera gamma. Od tej ramki poprowadzono niebieską strzałkę podpisaną małymi literami pp i rzymska cyfra jeden. Oznacza ona pierwszą możliwą ścieżkę. Wskazuje na mniejszą niebieską ramkę, w której zapisano reakcję chemiczną. Suma dwóch jąder izotopu helu indeks górny trzy indeks dolny dwa wielka litera H i mała litera e prowadzi do utworzenia atomu helu indeks górny cztery indeks dolny dwa wielka litera H i mała litera e dodać dwa jądra wodoru indeks górny jeden indeks dolny jeden wielka litera H. Z prawej strony pierwszej niebieskiej ramki wychodzi jeszcze jedna niebieska strzałka wskazująca na inną niebieską ramkę, w której zapisano równanie reakcji chemicznej. Suma dwóch jąder izotopu helu indeks górny trzy indeks dolny dwa wielka litera H i mała litera e prowadzi do utworzenia atomu berylu indeks górny siedem indeks dolny cztery wielka litera B i mała litera e dodać mała grecka litera gamma oznaczająca emisję fotonu. Z tej ramki wychodzą kolejne dwie pionowe, niebieskie strzałki skierowane w dół. Wskazują na dwie kolejne niebieskie ramki. Jedna strzałka podpisana, jako małe litery pp i rzymska cyfra dwa wskazuje na ramkę, w której zapisano dwie reakcje chemiczne. Suma atomu berylu indeks górny siedem indeks dolny czety wielka litera B i małą litera e oraz elektronu mała litera e z indeksem górnym minus prowadzi do powstania izotopu litu indeks górny siedem indeks dolny trzy wielka litera L i mała litera i oraz neutrina mała grecka litera ni z indeksem dolnym mała litera e. Drugie równanie opisuje reakcję atomu litu indeks górny siedem indeks dolny trzy wielka litera L i mała litera i z wodorem indeks górny jeden indeks dolny jeden wielka litera H, w wyniku której powstają dwie cząstki helu indeks górny cztery indeks dolny dwa wielka litera H i mała litera e. Ostatnia niebieska strzałka podpisana, jako małe litery pp i rzymska cyfra trzy wskazuje na niebieską ramkę, w której zapisano trzy reakcje chemiczne. Pierwsza z nich opisuje reakcję berylu indeks górny siedem indeks dolny cztery wielka litera B i mała litera e i atomu wodoru indeks górny jeden indeks dolny jeden wielka litera H, której produktem jest atom boru indeks górny osiem indeks dolny pięć wielka litera B dodać mała grecka litera gamma oznaczająca emisję fotonu. Drugie równanie opisuje rozpad atomu boru indeks górny osiem indeks dolny pięć wielka litera B na atom berylu indeks górny osiem indeks dolny cztery wielka litera B i mała litera e dodać pozyton mała litera e z indeksem górnym plus dodać neutrino mała grecka litera ni z indeksem dolnym mała litera e. Trzecie równanie chemiczne opisuje rozpad atomu berylu indeks górny osiem indeks dolny cztery wielka litera B i mała litera e w wyniku którego powstają dwie cząstki helu indeks górny cztery indeks dolny dwa wielka litera H i mała litera e.

Zwróć uwagę, że wytworzone w wyniku fuzji jądra berylu i litu, a w ścieżce ppIII także boru, w dalszych etapach zostają przekształcone lub się rozpadają. Dlatego też nie pojawiają się one w całościowym bilansie.

W Słońcu na ścieżce ppII powstaje nieco ponad 30%, natomiast na ścieżce ppIII jedynie około 0,1% całkowitej energii wyzwalanej w cyklu protonowym. Ten ostatni, bardzo niewielki udział wynika z niezbyt wysokiej temperatury wnętrza Słońca - około piętnastu milionów kelwinów - podczas gdy ścieżka ppIII staje się prawdopodobna dopiero przy temperaturach około dwudziestu pięciu milionów kelwinów. W większych, bardziej masywnych i przez to gorętszych gwiazdach ścieżka ppIII ma większy udział w wyzwalaniu energii.

Tempo przebiegu reakcji termojądrowych - bomba czy reaktor?

Reakcje termojądrowe we wnętrzu gwiazd przebiegają na ogół bardzo powoli. Przez
większą część swego życia typowa gwiazda - taką właśnie jest Słońce - znacznie bardziej przypomina spokojnie i stabilnie pracujący reaktor termojądrowy niż wybuchającą w niekontrolowany sposób bombę wodorową.

Dlatego wodór nie zostaje szybko wyczerpany i Słońce, mimo że ma 4,6 miliarda lat, nadal świeci w miarę stabilnie. Tak będzie jeszcze przez ponad 5 miliardów lat. Jądro Słońca będzie wtedy składało się głównie z helu. W otoczce wokół jądra nadal będą zachodziły reakcje z wodorem, ale dojdzie do zainicjowania zupełnie nowego zestawu reakcji termojądrowych. Hel będzie w nich substratem, a produktami fuzji będą coraz cięższe pierwiastki. Przejście do tego etapu może mieć charakter nieco wybuchowy. Także reakcje w tym etapie przebiegają szybciej i bardziej burzliwie. Więcej na temat przyszłych losów Słońca, również innych gwiazd, w tym o epizodach prawdziwie wybuchowych, przeczytasz w e‑materiale „Ewolucja gwiazd”.

Słowniczek