Образование звёзд

Водород и другие лёгкие элементы рассеялись во Вселенной и, сгруппировавшись, образовали звёзды. Под действием собственной силы тяжести звёзды начали постепенно сжиматься, что приводило к повышению температуры. Когда температура в центре каждой из звёзд достигла нескольких миллионов градусов, атомы водорода объединились и образовали атомы гелия, т.е. произошла реакция «горения» ядер. Затем возникли атомы C и других тяжёлых элементов. Таким образом, элементарный состав Вселенной определяется ядерными процессами в звёздах. Так, температура 10⁸ K возможна внутри звезды с массой равной массе нашего Солнца. Внутри Солнца постоянно идёт процесс ядерных превращений:

₆¹²С + ₁¹H →₇¹³N + γ

₇¹³N→₆¹³C + β⁺ + ν

₆¹³С + ₁¹H →₇¹⁴N + γ

₇¹⁴N+ ₁¹H →₈¹⁵O+ γ

₈¹⁵O→₇¹⁵N + β⁺ + ν

₇¹⁵N+ ₁¹H →₆¹²C+ ₂⁴He

4₁¹H→₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν

Эти реакции можно представить в виде автокаталитического цикла, известного как углеродный цикл Бете-фон Вайцзекера (рис. 3).

Рис. 3. Углеродный цикл Бете-фон Вайцзекера

В звёздах с большими массами температуры выше и там идут процессы синтеза более тяжёлых элементов. В звёздах тяжелее Солнца вдвое:

₄⁸Be + ₂⁴He → ₆¹²C

₆¹²C + ₂⁴He → ₈¹⁶O

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₄²⁸Si + ₂⁴He

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₅³¹P +₁¹H

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₆³¹S + ₀¹n

Звёзды с массой 20 солнечных масс способны к синтезу всех элементов, вплоть до железа. Ядра Fe можно считать завершением термоядерных реакций. Железо (№ 26) имеет наиболее стабильное ядро. Каждый шаг ядерного синтеза от гелия до железа освобождает энергию и формирует более устойчивое ядро. С ходом времени количество водорода и гелия во Вселенной уменьшается, тяжёлых элементов – возрастает. Ядра всех элементов после железа менее устойчивы, чем исходный материал, и не могут использоваться для образования энергии звёзд. Элементы от № 24 (Mg) до № 92 (U) образуются, когда звезда истощает своё ядерное топливо, коллапсирует и взрывается как сверхновая. Ударная волна от взрыва сверхновой производит избыточную энергию, необходимую для синтеза элементов тяжелее железа.