Από πού στο Σύμπαν προέρχεται ο… άνθρακας;

Ο άνθρακας βρίσκεται παντού τριγύρω μας, σε όλες τις οργανικές ενώσεις (μόρια που εξ’ ορισμού περιέχουν άνθρακα), από το απλό μεθάνιο μέχρι τα τεράστια μακρομόρια του DNA. Στην πιο αγνή μορφή του, χωρίς την παρεμβολή άλλων ατόμων, σχηματίζει πολύ ανθεκτικές κρυσταλλικές δομές, όπως ο γραφίτης και το διαμάντι. Από που όμως δημιουργείται αυτό το τόσο θεμελιακό στοιχείο;

Στις απαρχές του Σύμπαντος τα μόνα στοιχεία που υπήρχαν ήταν το υδρογόνο και το ήλιο, με επιπλέον κάποιες μικρές ποσότητες λιθίου. Όταν δημιουργήθηκαν αστέρες το υδρογόνο άρχισε να συντήκεται σε ήλιο. Αυτή είναι μία διαδικασία που συμβαίνει και στον Ήλιο μας, και θα συνεχίσει να συμβαίνει για περίπου 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια ακόμα. Κάποια στιγμή όμως το υδρογόνο εξαντλείται από τα εσωτερικά στρώματα των αστέρων και έτσι παύει να εκλύεται ενέργεια από τη σύντηξή του. Αυτή η ελάττωση της πίεσης από τα μέσα προς τα έξω έχει ως αποτέλεσμα τη βαρυτική κατάρρευση αυτών των αστέρων, που με τη σειρά της αυξάνει τη θερμοκρασία και την πίεση στο εσωτερικό τους. Η κατάρρευση συνεχίζεται μέχρι να αναπτυχθούν συνθήκες όπου οι πυρήνες ηλίου να μπορούν να αντιδρούν μεταξύ τους με τη λεγόμενη διαδικασία τρία-άλφα. Σύμφωνα με αυτήν, δύο πυρήνες ηλίου συγκρούονται και συντήκονται σε έναν πυρήνα βηρυλλίου, που είναι ασταθής. Αλλά προτού προλάβει να διασπαστεί, συγκρούεται άλλος ένας πυρήνας ηλίου μαζί του, και συντήκονται σε έναν πυρήνα άνθρακα, που είναι σταθερός.

Έτσι, το εσωτερικό αυτών των αστέρων μετατρέπεται γρήγορα σε άνθρακα, ενώ η εκπεμπόμενη ακτινοβολία έχει ως αποτέλεσμα τη διόγκωσή τους*, οπότε γίνονται ερυθροί γίγαντες. Αυτή η φάση της ζωής ενός αστέρα διαρκεί πολύ λιγότερο από τη φάση σύντηξης υδρογόνου (ή φάση “κύριας ακολουθίας”, η φάση στην οποία βρίσκεται και ο Ήλιος μας), και στο τέλος της οι αστέρες καταρρέουν ξανά βαρυτικά. Εάν η μάζα τους είναι χαμηλή (σαν του Ήλιου μας), τότε αυτά καταλήγουν να γίνουν λευκοί νάνοι, όπου όλος αυτός ο άνθρακας (μαζί με κάποιο οξυγόνο) συμπεριφέρεται σαν ένας πολύ πυκνός κρύσταλλος, με όλα τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται ελεύθερα. Πρακτικά, όλος ο εναπομείναντας αστέρας γίνεται σαν ένα μεγάλο διαμάντι.

Αλλά, αν ο ερυθρός γίγαντας είναι εντός ενός εύρους μάζας (περίπου μιάμιση με δύο φορές τη μάζα του Ήλιου) τότε πριν να γίνει λευκός νάνος η μεγάλη του ακτινοβολία και χαμηλή πυκνότητα εξωτερικών στρωμάτων έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια τεράστιας ποσότητας μάζας μέσω αστρικού ανέμου. Αυτή η μάζα εμπεριέχει όλα τα στοιχεία του αστέρα, υδρογόνο και ήλιο από το εξωτερικό του και άνθρακα (και κάποιες ποσότητες από μεγαλύτερα στοιχεία, κυρίως οξυγόνο) από το εσωτερικό του. Έτσι το Σύμπαν εμπλουτίζεται με άνθρακα προτού αυτός να παγιδευτεί στους λευκούς νάνους.

Από τέτοιους αστρικούς ανέμους, αλλά εν μέρει και από εκρήξεις υπερκαινοφανών από μεγαλύτερους αστέρες, προήλθε ο άνθρακας στη Γη μας.  

*Για την ακρίβεια, ήδη πριν ξεκινήσει η σύντηξη σε άνθρακα ο αστέρας καταρρέει βαρυτικά μέχρι που κάποια στρώματα υδρογόνου έξω από τον πυρήνα του γίνονται αρκετά πυκνά και ζεστά ώστε το υδρογόνο εκεί να υποστεί σύντηξη. Τότε αυτά τα στρώματα διογκώνουν αυτά που βρίσκονται παραέξω, λόγω της ισχυρής ακτινοβολίας που εκπέμπουν από τη σύντηξη του υδρογόνου τους. Όταν ξεκινά η σύντηξη ηλίου στον πυρήνα, η ακτινοβολία που εκπέμπεται από εκεί συνεισφέρει επιπλέον στην πίεση προς τα έξω.