Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret
Vörös óriások
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Anyag-időszak
A vörös óriás állapotban lévő csillagok a
Hertzsprung-Russell diagram óriáságán (RGB) helyezkednek el, energiájukat a
hidrogénégető rétegből nyerik, amely egy héliummagot vesz körül. Ebben a
fejlődési szakaszban a csillag még nagyjából sugárzásegyensúlyban van. 10 x 108
kelvinen beindul a hélium égése, amivel elkezdődik a három-alfa ciklus. A
csillagban ettől fogva két energiaforrás van jelen, egy héliumégető mag, és
az azt körülvevő hidrogénégető héj. Az energiatermelés nagy részét azonban
továbbra is a hidrogénégető héj adja. A csillag ebben a fázisban bizonyos
mértékben összehúzódik, fehér vagy sárga óriás lesz belőle. A magjukban
héliumot égető csillagok a csillaghalmazok HRD-jének horizontális óriáságban
helyezkednek el. Ha a csillag tömege nem éri el a 0,5 naptömeget, magjukban
az alacsony hőmérséklet miatt nem indulhat be a három-alfa ciklus.
Először berillium jön létre. A berillium mag nagyon instabil, ezért visszabomlik a kiindulási két héliummaggá. A héliummagokat ezután szén magok fogják be, majd további befogásokkal oxigén, neon és magnézium keletkezik:
---------
A Napunkkal azonos méretű csillagokban a He-égető szakasz mintegy százmillió évig tart. Ennek az időszaknak a végére a most már inkább He-atommagokból, mint protonokból álló üzemanyag-tartalékok ismét kimerülnek, a csillag belseje pedig C-atommagokkal kezd feltöltődni. Ezeket a magokat, amelyekben hat pozitív elektromos töltés van, még tekintélyesebb elektromos gát választja el egymástól, mint a He-atommagokat, és leküzdéséhez még hevesebb ütközésekre van szükség. A százmillió fokos hőmérséklet, amelyben a He-atommagok fúziója végbement, nem elég ahhoz, hogy a szénatommag magjai egyesüljenek. Ehhez háromszázmillió fok szükséges. Mivel a vörös óriás belsejében uralkodó hőmérséklet nem éri el a 300 millió fokot, a nukleáris tűz lassan kialszik, ahogy a szén felgyülemlik. A csillag most ismét szűkében lesz azoknak az erőforrásoknak, amelyek egyensúlyt tartanak a külső rétegek nyomásával, és most újra megindul a gravitációs kontrakció.
Eddig a pontig minden csillag élete hasonlóan zajlik le, további
fejlődése és haldoklása azonban attól függ, milyen a mérete és a tömege. A
kis tömegű csillagok összezsugorodnak és kialszanak, míg a nagyok gigászi
robbanásban semmisülnek meg. Napunk történetesen éppen a határra esik, nem
tudjuk bizonyosan, merre fordul majd a sorsa az élete végén, de azt
gyanítjuk, hogy inkább kialszik. A kis és nagy csillagok életútjának
szétválását az okozza, hogy a vörös óriás korszak végén, a második
kollapszus során, különböző mennyiségű energia szabadul fel. Egy kis
csillagban az összeroppanás csekély mennyiségű hőt termel, és a centrum
hőmérséklete nem éri el a 300 millió fokot, ami a szénatomok magjának
egyesüléséhez szükséges. Így a nukleáris tüzet semmi nem éleszti fel.
Ehelyett folytatódik az összeomlás, míg a csillag belsejében lévő anyag
nyomása akkora nem lesz, hogy az minden további méretcsökkenésnek ellenáll.
A csillag ezután mindörökre ebben az összenyomott állapotban marad. Mérete
durván akkora, mint a Földdé, saját súlya préselte össze ekkorára, eredeti
térfogatának mintegy milliomod részére. Ennek a rendkívül sűrű testnek a
közepe tájáról vett kávéskanálnyi anyag 10 tonnát nyomna. Ha valaha ilyen
csillagra találnánk, felszíni hőmérséklete nem lenne kellemes számunkra, de
nem is tudnánk leszállni e különös világra, mert a rendkívül erős
tömegvonzás hatására a látogatót saját súlya összeroppantaná. Bár egy ilyen
csillag középpontjában soha sincs akkora forróság, hogy a szénatommagok
magreakciója meginduljon, felszíni hőmérséklete mégis elég magas ahhoz, hogy
a csillagot szemünk fehéren izzónak lássa. Ezeket az összetöppedt, fehéren
izzó csillagokat fehér törpéknek nevezzük. A fehér törpe idővel az utolsó hőkészletét is kisugározza az űrbe. Végül hőmérséklete lecsökken, és
kihunyta után sötét tetemmé válik.
------------------------
A H-készletét elhasznált csillag halovány csillagmúmiává: fehér törpévé zsugorodik össze.
De mi létezünk! Honnan erednek az élő anyagot fölépítő C és O atommagok?
Ilyen atomokat számottevő gyakoriságban észleltek a Napnál sokszorta nagyobb tömegű vörös óriáscsillagok színképében. Ezek belső hőmérséklete a százmillió fokot is eléri, bennük jóval vehemensebbek és gyakoribbak az atommag-ütközések. A C keletkezését megmagyarázandó Fred Hoyle, a vad fantáziájáról híres brit csillagász a következő föltevést tette: a ütközésben keletkezett 8Be rövid ideig létezik (10-17 s). Ezalatt az átmeneti 8Be atommagot egy harmadik 4He atommag telibe találhatja, mielőtt az szétmenne. Tételezzük föl - mondta Hoyle (1953) - hogy a folyamatban keletkező C atommagnak épp 1,22 pJ-nál van egy magasan lévő (virtuális) energianívója, ami nagymértékben megnöveli a 12C kialakulásának valószínűségét. A 12C gerjesztett atommag ezután foton kibocsátásával alapállapotba juthat: stabil 12C atommag születik, ami a szerveskémia alapja.
Csikai Gyula neutronokkal bombázta a stabil 9Be atommagot. Megfigyelte két neutron kilépését, valamint két 4He atommag keletkezését. A részecskék kirepülési irányának (ezáltal lendületének) kimérése azt tanúsította, hogy a folyamat két lépésben megy végbe: ezután . Tehát a 8Be rövid ideig (10-17 s) valóban létezik! William Fowler laboratóriumában kimutatta, hogy a 12C atommagnak 1,27 pJ-nál valóban van egy gerjesztett energiaszintje (1957): alig 4%-kal van a Hoyle által jósolt érték fölött, amit a vörös óriás forró belsejének hőmozgása fedez. A Periódusos Rendszer benépesülésének kulcsa a 12C virtuális energianívója, aminek épp a szükséges helyen kell lennie. Ennek hála, hogy vörös óriáscsillagokban történő hármas ütközésekkel megindulhat a Periódusos Rendszer benépesülése.
A magfelépülés következő lépése tehát újabb 4He befogása: . Ez már könnyen megy, mert a 16O zárt héjszerkezetű atommag. (8 proton és 8 neutron betölti az s és p állapotokat.) Itt meg épp az fenyeget, hogy ha ki is alakulnak szén-atommagok, azt He-befogás rögtön oxigénné alakítja. Márpedig egy hidrogén-hélium-oxigén univerzumban eső létezne, de élet nem! Szerencsére az 16O-nak nincs itt virtuális energiaszintje, ezért marad szén is! Csótó Attila (KLTE-ELTE) és munkatársai számításai (2000) szerint az atommagokat kialakító magerők intenzitásának egy-két ezreléknyi módosítása ezt az energianívót már úgy elcsúsztatná, hogy hármas He-ütközésben nem keletkeznék C-atommag, illetve eltorzulna az Univerzum nekünk kedvező C/O = 1/2 aránya. Egy pontos hangolás teszi lehetővé, hogy világunkban szén is, oxigén is van! Ez a behangolás még meglepőbb, mint a deuteron esete. Az asztrofizikusok el is csodálkoztak: a C-energiaszintet (ezáltal szén és oxigén termelését) mi állíthatta be épp úgy, hogy lehetővé váljék a C-H-O biokémia kibontakozása, az élet megszületése?
Mindez azonban másként is megfogalmazható. Ha a 12C virtuális energiaszintje százaléknyival odébb volna, az ilyen világban nem lennének asztrofizikusok, akik elcsodálkoznak a nívó szerencsés beállításán. Mi nem ok vagyunk, hanem következmény. De nehéz megállni, hogy gondolkodásunk itt leálljon.
He és C ütközése oxigént, H atommagok és C ütközése nitrogént, O és He ütközése neont, Ne és He ütközése magnéziumot, Mg és He ütközése szilíciumot adhatott, és így tovább. Ezekből az elemekből később pedig kavics és dolomit, cukor és hús is képződhetett...
Az Univerzum anyagában a 99,9%-ot kitevő H és He után ma 0,06% az O, 0,03% a C, 0,023% a Ne, 0,007% a N, 0,006% a Si, ezek az Univerzum leggyakoribb elemei. Vörös óriások mélyében épültek föl néhányszáz millió fokon. De ez a hőmérséklet még nem elég nehéz atommagok kialakításához. Például két 28Si atommag ütközésénél a két +14e töltés tizenhatszor akkora erővel taszítja egymást, mint az oxigén-atommagot termelő +2e töltésű He és +6e töltésű C ütközésekor. Ehhez nagyságrenddel magasabb hőmérséklet kívántatik, ami még a vörös óriásokban sincs.
Amikor a vörös óriás He-készlete is kimerül, belsejét a gravitáció összerántja, a hőmérséklet ismét tízszeresre (milliárd fokokra) hevül.
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Anyag-időszak
-------------------
http://hu.wikipedia.org/wiki/Nukleoszint%C3%A9zis
http://www.puskas.hu/ttk/csillag/csillag/117.htm
http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0011/marx.html