恒星核合成
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恒星核聚变 是解释重元素是由恒星内部的原子经由核聚变创造出来的化学元素理论。自从大爆炸期间产生氢、氦、锂之后,恒星核聚变就一直持续地创造重元素。这原本是一个高度预测的理论,但经由观测到的元素丰度和计算的基础上,已经有了良好的协定。它解释了宇宙中元素的丰度为何会随着时间而增长,以及为什么某些元素及其同位素会比其它的元素更丰富。这个理论最初是由弗雷德·霍伊尔在1946年提出[1],然后在1954年精炼[2]。进一步的发展,特别是对重元素中比铁重的元素经由中子捕获的核聚变,在霍伊尔和伯比奇夫妇(杰佛瑞·伯比奇和玛格丽特·伯比奇)、威廉·福勒四人于1957年提出了著名的元素合成理论(即著名的B2FH论文)[3],成为天文物理学史上最受人引用的论文之一。
恒星演化是因它们的组成(元素的丰度)在生命历程中的改变。首先是氢燃烧(主序星),然后是氦燃烧(红巨星),并逐渐燃烧更重的元素。然而,因为这些重元素都包含在恒星内部,这本身并没有明显的改变宇宙中元素的丰度。在它们生命的后期,低质量的恒星将通过恒星风慢慢地弹出它们的大气层,形成行星状星云;而质量更高的恒星将通过超新星的突发性灾难事件来喷发质量。超新星核合成这个名词被用来描述大质量恒星(12-35倍太阳质量)在演化和爆炸前所创造的元素。这些大质量恒星是从碳(Z = 6)到镍(Z = 28)的各种新同位素的最主要来源。
进一步的燃烧序列是由重力坍缩和其相应的加热驱动的,导致重元素的碳、氧和硅燃烧。然而,大多数原子量范围在A = 28–56 (从硅到镍)核聚变的重元素都是由恒星上层崩溃到核心,造成一个压缩冲击波反弹向外形成的。短暂的冲击波升高了大约50%的温度,从而引起了大约1秒钟的剧烈燃烧。在大质量恒星最后的燃烧称为超新星核合成或是"爆炸核聚变",是恒星产生重元素的最后一个时期。
促进核聚变理论发展的因素是发现宇宙中化学元素的丰度。对具体描述的需要已经受到太阳系化学同位素相对丰度的启发。当绘制在以元素的原子数为函数的图表上时,这些丰度有一个参差不齐的锯齿状形状,而变化的因素数以万计(参见核聚变#历史)[4]。这表明这个自然的过程不是随机的。第二个启发是在20世纪了解恒星的核聚变发生过程,它被认识到太阳的长寿,和从核聚变反应释放出来的能量是光与热的来源[5]。