Από πού στο Σύμπαν προέρχονται τα στοιχεία από το τιτάνιο έως το σίδηρο;

Ο σίδηρος (Fe) είναι το μέταλλο με το οποίο είναι χτισμένος ο τεχνολογικός πολιτισμός μας. Κάθε χρόνο εξορύσσουμε υπερδεκαπλάσια ποσότητα ορυκτών σιδήρου από όλα τα άλλα μεταλλεύματα μαζί. Αλλά ο σίδηρος μας είναι πιο χρήσιμος ως ατσάλι, για την παρασκευή του οποίου απαιτούνται κάποια στοιχεία ακόμα, όπως χρώμιο (Cr, που κάνει το ατσάλι ανοξείδωτο),  βανάδιο (V) και μαγγάνιο (Mn). Αυτά τα στοιχεία είναι αμέσως πριν το σίδηρο στον περιοδικό πίνακα. Tο τιτάνιο (Ti), που συμπληρώνει αυτή την ομάδα, είναι πολύ ανθεκτικό για το βάρος του και αντέχει σε υψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται σε αεροδιαστημικές εφαρμογές και τεχνητά ανθρώπινα μέλη (καθώς δεν είναι τοξικό) αλλά και ως λευκή χρωστική ουσία.

Αυτά τα πέντε στοιχεία, μαζί με τα επόμενα τέσσερα που ακολουθούν στον περιοδικό πίνακα (Εικόνα 1), αντιπροσωπεύουν την πλειοψηφία των μετάλλων με τα οποία κατασκευάζουμε πράγματα μεγάλης κλίμακας στον πολιτισμό μας, και έχουν κοινή καταβολή στο Σύμπαν.

Η σύντηξη όλο και βαρύτερων πυρήνων σε αστέρες γίνεται με τη διαδικασία άλφα, όπου πυρήνες ηλίου απορροφούνται από άλλους πυρήνες, αυξάνοντας τον ατομικό αριθμό τους κατά δύο (Εικόνα 2, για αυτό και τα στοιχεία με ζυγούς ατομικούς αριθμούς είναι πιο άφθονα από αυτά με μονούς), ή και με απευθείας συγκρούσεις μεγαλύτερων πυρήνων, όπως άνθρακα ή οξυγόνου. Αυτές οι διαδικασίες είναι εξώθερμες, δηλαδή εκλύεται περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτήθηκε για να γίνουν, μέχρι περίπου το σίδηρο. Τυπικά μέχρι το νικέλιο-56, αλλά αυτό είναι ραδιενεργό και έτσι διασπάται σε κοβάλτιο-56, και εκείνο με τη σειρά του σε σίδηρο-56. Αυτό φαίνεται από το διάγραμμα ενέργειας δέσμευσης (η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να διασπαστεί ένας πυρήνας στα πρωτόνια και νετρόνια από τα οποία συνίσταται) στην Εικόνα 3. Αυτό δε σημαίνει ότι η διαδικασία άλφα δε συμβαίνει και για μεγαλύτερα στοιχεία, αλλά δεν είναι πια ενεργειακά αποδοτική και καταστέλλεται από άλλες διαδικασίες.*

Σε τι περιβάλλοντα, όμως, έχουμε τις απαραίτητες υψηλές θερμοκρασίες ώστε να πραγματοποιηθεί η διαδικασία σύντηξης μέχρι και το νικέλιο; 

Σε υπερκαινοφανείς, τόσο κατάρρευσης πυρήνα από πολύ μεγάλους αστέρες (οι τύπου ΙΙ, Ιb, και Ic), όσο και τύπου Ιa, που είναι και η κύρια πηγή αυτών των στοιχείων.Οι υπερκαινοφανείς τύπου Ia προκύπτουν από χαμηλής μάζας αστέρες που μετατρέπονται σε λευκούς νάνους και ζουν έτσι ανέμελα μέχρι ένας συνοδός αστέρας να έρθει πολύ κοντά τους και να τους μεταφέρει αρκετή μάζα ώστε αυτοί να φτάσουν τις 1,4 φορές τη μάζα του Ήλιου. Τότε η θερμοκρασία στο εσωτερικό τους επαρκεί για σύντηξη του άνθρακα και του οξυγόνου. Η παραγόμενη ενέργεια αυξάνει τη θερμοκρασία αλλά χωρίς αρκετή πίεση ώστε να γίνει διαστολή του πυρήνα. Έτσι πολύ γρήγορα τα στοιχεία του πυρήνα περνάνε από όλα τα στάδια σύντηξης μέχρι το νικέλιο-56. Τότε διαδίδεται ένα πύρινο μέτωπο προς τα έξω, σε μόλις ένα δευτερόλεπτο, συμπαρασύροντας αυτά τα στοιχεία. Όσο γίνεται αυτό, τα εξώτερα στρώματα υπόκεινται και αυτά σε σύντηξη αλλά, επειδή είναι πιο αραιά, καταλήγουν σε στοιχεία μικρότερου ατομικού αριθμού. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ο εμπλουτισμός του διαστρικού χώρου με κυρίως σίδηρο και άλλα παραπλήσιου βάρους στοιχεία, και σε μικρότερο βαθμό με πιο ελαφρά, από μαγνήσιο έως ασβέστιο.

Ο σίδηρος έχει τη μεγαλύτερη αφθονία όλων των μετάλλων, με εξαίρεση το μαγνήσιο, και όλων των στοιχείων με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό από το πυρίτιο. Παράγεται (σύμφωνα με παρατηρήσεις) κατά τα δύο τρίτα από υπερκαινοφανείς τύπου Ia και κατά το υπόλοιπο τρίτο από τύπου ΙΙ, κατά κύριο λόγο σαν σίδηρος-56 από διάσπαση του νικελίου-56 (Εικόνα 2). Το προηγούμενο στάδιο πριν το νικέλιο-56 στην αλυσίδα της διαδικασίας άλφα είναι ο σίδηρος-52. Αλλά αυτό είναι ραδιενεργό ισότοπο, που διασπάται σε μαγγάνιο και τελικά χρώμιο-52. Έτσι προκύπτει το χρώμιο που διασπείρεται στο Σύμπαν. Αντίστοιχα, το προηγούμενο στάδιο πριν το σίδηρο-52 είναι το χρώμιο-48, που είναι και αυτό ραδιενεργό. Διασπάται σε βανάδιο και αυτό σε τιτάνιο-48. Έτσι προκύπτει το τιτάνιο. Το μαγγάνιο έχει μόνο ένα σταθερό ισότοπο, το μαγγάνιο-55, και αυτό προκύπτει από τη διάσπαση του ραδιενεργού σιδήρου-55, που προκύπτει από τη διάσπαση του ραδιενεργού κοβαλτίου-55. Το βανάδιο προκύπτει από τη διάσπαση του ραδιενεργού μαγγανίου-51.

Η παραγωγή σιδήρου αποτελεί ορόσημο στην αστρική νουκλεοσύνθεση. Είναι το τελικό στάδιο μιας αλληλουχίας αντιδράσεων, πέρα από τις οποίες τα πράγματα γίνονται πιο δύσκολα, και τα παραγόμενα στοιχεία πιο σπάνια. Τα στοιχεία μεγαλύτερου ατομικού αριθμού βασίζονται κυρίως στις διαδικασίες αργής και γρήγορης πρόσληψης νετρονίων, με πιθανή καταβολή από πιο εξωτικά περιβάλλοντα, όπως οι kilonova. Έχουν όλα τη χρησιμότητά τους, αλλά τίποτα δε συγκρίνεται σε αφθονία με τον σίδηρο.

*Για την ακρίβεια, το νικέλιο-62 έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια δέσμευσης, αλλά αυτό δεν παράγεται από τη διαδικασία άλφα και επιπλέον είναι επιρρεπές σε φωτοδιάσπαση (δηλαδή διάσπαση του πυρήνα από σύγκρουση με υψηλής ενέργειας φωτόνια), οπότε δεν έχει αξιοσημείωτη συμβολή στα στοιχεία που βλέπουμε στη Γη.