Πως παράγονται τα βαρύτερα στοιχεία από το σίδηρο;

Η παραγωγή των χημικών στοιχείων μέχρι το σίδηρο, ο οποίος έχει 26 πρωτόνια στον πυρήνα του, γίνεται μέσω σύντηξης πυρήνων ελαφρύτερων στοιχείων στα κέντρα των αστεριών και εκεί οφείλεται η ενέργεια που αυτά παράγουν. Τα βαρύτερα στοιχεία σχηματίζονται με άλλες πυρηνικές διαδικασίες που λέγονται σύλληψη νετρονίου ή πρωτονίου. Αυτό συμβαίνει όταν ένας πυρήνας βρεθεί σε περιβάλλον που είναι πλούσιο σε νετρόνια ή πρωτόνια κατάλληλης ενέργειας και ενωθεί με αυτά. Η απορρόφηση πρωτονίων, που είναι πιο δύσκολη λόγω των ηλεκτρικών απωστικών δυνάμεων μεταξύ των απορροφούμενων πρωτονίων και των πρωτονίων του πυρήνα, ανεβάζει τον ατομικό αριθμό του στοιχείου, το οποίο μεταστοιχειώνεται σε άλλο βαρύτερο. Αντίθετα, στην απορρόφηση νετρονίων, αυξάνεται πρώτα ο μαζικός αριθμός κάνοντας το στοιχείο βαρύτερο, και στη συνέχεια, μέσω διασπάσεων των νετρονίων σε πρωτόνια, αυξάνεται και ο ατομικός αριθμός. Αυτές οι διαδικασίες μπορούν να γίνουν ή σχετικά αργά, απορροφώντας ένα-ένα τα σωματίδια και δημιουργώντας έτσι διαδοχικά βαρύτερους από το σίδηρο πυρήνες, ή πολύ γρήγορα, με τον πυρήνα να συλλαμβάνει πολλά σωματίδια ξαφνικά και να μετατρέπεται απότομα σε κάποιον πολύ βαρύτερο.

Βέβαια, όλα τα στοιχεία δε δημιουργούνται με τον ίδιο τρόπο ή σε ίδια περιβάλλοντα. Τα βαρύτερα, όπως ο χρυσός ή το ουράνιο, θεωρείται ότι δημιουργούνται σε μεγάλες ποσότητες με τη διαδικασία γρήγορης απορρόφησης νετρονίων σε πολυ ενεργητικά περιβάλλοντα με πληθώρα νετρονίων, όπως στους υπερκαινοφανείς ή στους αστέρες νετρονίων.

Στην πρώτη περίπτωση, όταν δημιουργηθεί στο κέντρο ενός μαζικού άστρου αρκετός σίδηρος από τη σύντηξη, τότε η βαρύτητα τον οδηγεί σε ταχύτατη κατάρρευση και συμπιέζεται τόσο πολύ που τα ηλεκτρόνια ενώνονται με τα πρωτόνια σχηματίζοντας νετρόνια. Αυτά παρέχουν αρκετή πίεση ώστε το κέντρο να μη καταρρεύσει κι άλλο (εκτός κι αν η συνολική μάζα υπερβεί κάποιο όριο που οδηγεί σε μαύρη τρύπα). Ταυτόχρονα καταρρέει και όλο το εξωτερικό περίβλημα του πυρήνα με ταχύτητες κοντά στο 20% αυτής του φωτός! Όταν συναντήσει τα μη συμπιέσιμα πλέον νετρόνια, αναπηδά με αποτέλεσμα μια γιγάντια έκρηξη υπερκαινοφανή, σαρώνοντας όλα τα εξωτερικά στρώματα του αστεριού και αφήνοντας συνήθως κάποιο αστέρι νετρονίων ως κατάλοιπο. Σε αυτό το εκρηκτικό περιβάλλον, βαθιά μέσα στον υπερκαινοφανή, τα ελαφρύτερα στοιχεία αναμιγνύονται με πάρα πολλά νετρόνια και θεωρείται ότι υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες για να τα απορροφήσουν γρήγορα και να δώσουν βαρύτερα στοιχεία. Μελέτες έδειξαν ότι τα βαρύτερα στοιχεία, όπως ο χρυσός, δημιουργούνται σε περιπτώσεις περιστρεφόμενων υπερκαινοφανών με ισχυρά μαγνητικά πεδία ή από αστέρια μεγάλης μάζας που μετά την έκρηξη και κατάρρευση καταλήγουν σε μαύρες τρύπες.

Ο δεύτερος τρόπος που οδηγεί σε μεγάλες ποσότητες βαρέων στοιχείων, είναι οι συγκρούσεις αστέρων νετρονίων, όπως φανέρωσαν πρόσφατες παρατηρήσεις. Οι συγκρούσεις αυτές συμβαίνουν σε διπλά συστήματα που καθώς περιστρέφονται γύρω από το κοινό τους κέντρο μάζας, πλησιάζουν μεταξύ τους, εξαιτίας των ενεργειακών απωλειών από βαρυτικά κύματα. Σε μια τέτοια καταστροφική σύγκρουση, απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες ενεργητικών νετρονίων. Αυτά συγχωνεύονται σε μεγαλύτερους πυρήνες που πολλές φορές είναι ασταθείς. Τελικά, αυτοί διασπώνται σε πιο μικρούς, αλλά σταθερούς, βαρέων στοιχείων. Αν και θεωρήθηκε ο βασικός τρόπος δημιουργίας των βαρύτερων στοιχείων, τελικά μια πιο πρόσφατη μοντελοποίηση έδειξε ότι αυτή η διαδικασία μάλλον συμβαίνει σπάνια και δεν μπορεί να δικαιολογήσει όλο το ποσοστό αυτών των στοιχείων στο σύμπαν.

Ενδεχομένως να χρειάζεται κάποιος συνδυασμός των δύο μηχανισμών, μια ιδέα που οι επιστήμονες ακόμα ερευνούν. Περισσότερες παρατηρήσεις συγκρούσεων αστέρων νετρονίων μπορεί να “λύσουν” το μυστήριο της συχνότητας τους. Το σίγουρο είναι πάντως ότι και η ύπαρξη υπερκαινοφανών και αστέρων νετρονίων είναι απαραίτητη για την πολυπλοκότητα του κόσμου και της ζωής γύρω μας.