Co w języku astrofizyków oznacza „zapalenie się wodoru w gwiazdach”? Ewentualnie pytanie brzmi: czy może dojść do fuzji, ale fotony nie będą jej produktem, więc nie nastąpi „spalanie wodoru”? Genezą pytania jest fragment z szanowanego, polskiego pisma astronomicznego, w którym, w kontekście „brązowych karłów” pada zdanie: „Ich masa – co najmniej 13 mas Jowisza – jest wystarczająca, aby wygenerować, przynajmniej tymczasowo, energię w ich wnętrzu poprzez fuzję jądrową. Nie są jednak wystarczająco masywne, aby zapalić wodór w swoich rdzeniach, a tym samym stworzyć swoje własne światło”. Do tej pory termin „spalanie wodoru” łączyłem po prostu z fuzją jądrową.
Co oznacza „zapalenie się wodoru w gwiazdach”?
Pytanie
Odpowiedź
„Zapaleniem wodoru” w gwiazdach nazywamy sytuację, kiedy w jądrach gwiazd może stabilnie zachodzić reakcja fuzji jądrowej, polegająca na przemianie wodoru w hel. Taka przemiana nie zachodzi w jednej reakcji, tylko w tzw. cyklu p-p (proton-proton) lub w cyklu CNO (węglowo-azotowo-tlenowym). W obu przypadkach z czterech jąder wodoru (protonów) powstaje jądro helu, jednak skupimy się tu na cyklu p-p, ponieważ w tym drugim nie bierze udziału deuter, a jest to istotne w kontekście pytania.
Kluczowe są tu pierwsze dwie reakcje cyklu p-p, które wyglądają następująco:
- dwa protony tworzą jądro deuteru
- jądro deuteru łączy się z protonem tworząc jądro helu-3
Pierwsza reakcja do zajścia wymaga znacznie większej temperatury niż druga i właśnie na tym polega cały „defekt” brązowych karłów, które mają zbyt małą masę i przez to temperatura w ich wnętrzu nie osiąga wymaganego poziomu.
Obłoki gazowe z których powstają gwiazdy zawierają głównie podstawowy izotop wodoru oraz małą domieszkę deuteru, pochodzącego z pierwotnej nukleosyntezy (mającej miejsce niedługo po Wielkim Wybuchu). Jeśli masa tego obłoku jest zbyt mała, temperatura jądra powstałej z niego protogwiazdy również będzie na tyle mała (ok. 2-3 mln K), że zajdzie jedynie reakcja nr 2. Zapas jąder deuteru szybko się wyczerpie i nie będzie uzupełniany jądrami deuteru powstającymi w reakcji nr 1 (która wymaga temperatury kilkunastu mln K). Brązowy karzeł nagrzeje się nieznacznie, a po ustaniu fuzji deuteru będzie już tylko wypromieniowywał wyprodukowaną energię i stygł. Początkowa temperatura powierzchni takich obiektów to ok. 1500-2000 K, więc dla ludzkiego oka byłyby ciemnoczerwone lub nawet czarne.
Protogwiazda o wystarczająco dużej masie (co najmniej 0,08 masy Słońca) osiągnie w jądrze wystarczającą temperaturę, żeby jądra deuteru powstawały z pojedynczych protonów „na bieżąco”, a dalsze reakcje cyklu p-p zachodziły stabilnie przez miliardy lat, aż do wyczerpania zapasów „zwykłego” wodoru. Protogwiazda staje się gwiazdą, „spala” wodór (na bieżąco produkując i wyświecając energię) i dopóki tak się dzieje mówimy, że znajduje się na ciągu głównym.