Από πού στο Σύμπαν προέρχεται το… άζωτο;

Το άζωτο είναι ένα καθοριστικής σημασίας στοιχείο για τη ζωή στη Γη. Απαρτίζει περίπου το 78% της ατμόσφαιράς μας αλλά απαντάται σε περιορισμένες ποσότητες και στο έδαφος, καθώς χρησιμοποιούμε λιπάσματα – που περιέχουν άζωτο – για τις αγροτικές μας καλλιέργειες. Η σπανιότητά του στον Άρη ενδέχεται να δημιουργήσει προκλήσεις για τον μελλοντικό αποικισμό εκείνου του πλανήτη. Αλλά από που προέρχεται αυτό το ζωτικό στοιχείο;

Σε αστέρες σαν τον Ήλιο μας, το ήλιο προκύπτει από σύντηξη ατόμων υδρογόνου που συγκρούονται μεταξύ τους. Αλλά σε μεγαλύτερους αστέρες (με μάζα τουλάχιστον 1,3 φορές τη μάζα του Ηλίου) ακολουθείται μία άλλη διαδικασία, που είναι πιο αποδοτική σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η διαδικασία αυτή είναι ο κύκλος CNO (Εικόνα 2). Σε αυτόν, μικρές ποσότητες άνθρακα, αζώτου, και οξυγόνου δρουν ως πυρηνικοί καταλύτες, απορροφώντας άτομα υδρογόνου και περνώντας από πολλαπλά στάδια σύντηξης, από το ένα στοιχείο στο άλλο, μέχρι να φτάσουν στην παραγωγή αζώτου-15. Το τελευταίο, μετά από σύγκρουση με ένα πρωτόνιο αποβάλλει έναν πυρήνα ηλίου και μετατρέπεται σε άνθρακα-12, οπότε ξαναρχίζει η αλυσίδα*. Αυτός ο κύκλος απαιτεί μόνο άνθρακα για να ξεκινήσει, αλλά καταλήγει στην ταυτόχρονη παρουσία των τριών αυτών στοιχείων, με μεταβαλλόμενη αναλογία. Το στάδιο όπου το άζωτο-14 μετατρέπεται σε οξυγόνο-15 έχει πολύ μικρή ενεργό διατομή** σε σχέση με τα άλλα στάδια, και αυτό οδηγεί στη σταδιακή συσσώρευση αζώτου εις βάρος των άλλων δύο στοιχείων.

Όταν αυτοί οι αστέρες εξαντλήσουν το υδρογόνο στο εσωτερικό τους και γίνουν ερυθροί γίγαντες, ένα μεγάλο μέρος του υλικού τους εκχέεται στον διαστρικό χώρο από αστρικούς ανέμους. Αυτό εμπεριέχει και το άζωτο που προέκυψε από τον κύκλο CNO. Αυτή θεωρείται πως είναι η κύρια πηγή προέλευσης του αζώτου, με κάποια επιπλέον ποσότητα να προέρχεται από εκρήξεις πολύ μεγάλων αστέρων, όπου το άζωτο παράγεται μεν με τον ίδιο τρόπο αλλά αποδίδεται στο διάστημα μέσω υπερκαινοφανών εκρήξεων (Τύπου ΙΙ). Παρά τον έμμεσο τρόπο δημιουργίας και εξάπλωσης, το άζωτο είναι το πέμπτο πιο άφθονο στοιχείο στο παρατηρούμενο Σύμπαν!

* Για την ακρίβεια αυτό που περιγράφηκε ονομάζεται κύκλος CN, γιατί παρόλο που εμπεριέχει οξυγόνο αυτό δε λαμβάνει ενεργά μέρος στον κύκλο παρά σαν ασταθής ενδιάμεσος πυρήνας. Αλλά υπάρχουν παραλλαγές του κύκλου, που συμβαίνουν λιγότερο συχνά, στις οποίες παράγονται σταθερότερα ισότοπα του οξυγόνου (ιδίως οξυγόνο-17), που αλληλεπιδρούν και αυτά με πρωτόνια.

** Η ενεργός διατομή εκφράζει πόσο μεγάλος ‘στόχος’ είναι ένα σωμάτιο για μία αλληλεπίδραση με ένα άλλο, και άρα πόσο συχνά θα γίνονται τέτοιες αλληλεπιδράσεις για δεδομένες συγκεντρώσεις σωματίων.