Nucleosynthese

Nucleosynthese is, zoals het woord al zegt, het opbouwen van kernen van zwaardere elementen uit lichtere (nucleus is kern en synthese is "samenstelling"). In het binnenste van een ster vinden onder invloed van de enorme druk en zeer hoge temperatuur kernreacties plaats waarbij uit waterstof helium wordt gevormd, en vervolgens uit helium koolstof, en daarna uit koolstof nog weer zwaardere elementen. Op deze manier ontwikkelen zich binnenin een ster de meest uiteenlopende elementen.

Het eerste stadium, dat van de omzetting van waterstof in helium, vindt in alle sterren plaats. De andere stadia alleen in de zwaardere sterren. Daar vormt zich dan een kern met een "uienschil" model: in de buitenste laag (bij temperaturen vanaf 10 mln. graden) wordt waterstof in helium omgezet (4 ¹H ⁴He) ; in de laag daaronder wordt onder aanzienlijk hogere temperatuur (vanaf 100 mln. graden) en druk helium omgezet in koolstof (3 ⁴He ¹²C) (tripel-alfa-proces). In de nog meer naar binnen gelegen lagen worden achtereenvolgens - bij steeds hogere temperaturen en drukken - koolstof met helium omgezet in zuurstof (¹⁶O) en neon (²⁰Ne), neon met helium in magnesium (²⁴Mg), silicium (²⁸Si), zwavel (³²S)en calcium (⁴⁰Ca),en uiteindelijk in ijzer (⁵⁶Fe).

Een ster is dus eigenlijk een soort fabriek waar chemische elementen worden gemaakt. Alle elementen zwaarder dan waterstof en helium, met andere woorden het grootste deel van de bestanddelen van de aarde, zijn ooit door nucleosynthese binnenin een ster ontstaan! Ze werden overigens niet gevormd in de zon maar, al veel eerder, in andere, grotere sterren, die zich ooit tot een supernova ontwikkelden, waarbij een groot deel van de zwaardere elementen in de ruimte werd geslingerd. Onze zon is met nucleosynthese namelijk nooit verder gekomen dan de omzetting van waterstof in helium¹. Daarom denkt men dat de zon een ster van de tweede generatie is, dat wil zeggen, dat zij gevormd is uit gas waarin zich restanten van geëxplodeerde oudere sterren gemengd hebben. De elementen zwaarder dan waterstof en helium in ons zonnestelsel hebben dus hun ontstaan te danken aan nucleosynthese in oudere sterren. Dit verklaart ook waarom er in ons zonnestelsel beduidend meer ijzer en andere zware elementen aanwezig zijn dan in sterren die veel ouder zijn.

De nucleosynthese werd ontdekt door de fysicus Fred Hoyle, die tijdens de jaren vijftig bijzonder belangrijk onderzoek deed naar het ontstaan van chemische elementen in sterren. Dit werk liep uit op het nu klassiek geworden artikel van Geoffrey en Margaret Burbidge, William Fowler en Fred Hoyle over "nucleosynthese" (het auteurscollectief werd in de wandeling wel "B2FH" genoemd). In het B2FH-artikel worden alle mechanismen geanalyseerd waarmee in het inwendige van de sterren lichtere elementen worden omgezet in zwaardere. Bij dit monumentale werk was Hoyle de theoreticus: hij ontwikkelde de complexe wiskundige modellen waarmee de snelheid van kernreacties kon worden berekend. Hiermee kon ook worden verklaard waarom bepaalde elementen in het heelal in grotere of minder grote hoeveelheden voorkomen dan andere.

Hoyle slaagde er ook in om het tripel-alfa-proces te verklaren, het proces waardoor heliumkernen omgezet konden worden in koolstofkernen.

Het werk van het B2FH-collectief zou uiteindelijk ertoe leiden dat de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1983 werd toegekend aan William Fowler. Merkwaardig genoeg viste Hoyle toen achter het net, waarschijnlijk omdat hij inmiddels in wetenschappelijke kringen een controversieel figuur was geworden door het bepleiten van enkele buitenissige theorieën.

¹ Zij zal het uiteindelijk nog wel brengen tot het stadium van de omzetting van helium in koolstof, maar dan is zij een rode reus geworden, zodat alle leven op aarde verdwijnt.