Nukleosintesis

Nukleosintesis Big Bang

Kira-kira tiga minit selepas Big Bang, alam semesta sudah cukup sejuk untuk membolehkan proton dan neutron bergabung menjadi nukleus atom pertama. Dalam tempoh masa hanya kira-kira dua puluh minit, terhasillah hampir semata-mata hidrogen dan helium — ditambah sedikit kesan litium. Selepas itu, alam semesta telah mengembang dan menyejuk begitu jauh sehingga pelakuran nuklear terhenti.

Mengapa proses ini tidak diteruskan? Tiada nukleus atom stabil dengan nombor jisim 5 atau 8 — setiap percubaan untuk melakur ⁴He dengan satu lagi proton atau neutron, atau dengan ⁴He kedua, akan segera reput semula. Tanpa peringkat perantaraan ini, dan tanpa kepadatan serta tempoh masa yang jauh lebih besar di dalam bintang, alam semesta awal tidak dapat meneruskan laluan ke arah unsur yang lebih berat.

Pelakuran di dalam bintang

Segala sesuatu yang lebih berat daripada litium hanya terhasil di dalam bintang. Di teras sebuah bintang, di bawah tekanan yang amat tinggi dan suhu berjuta-juta Kelvin, empat nukleus hidrogen mula-mula melakur menjadi satu nukleus helium — proses yang telah menyebabkan Matahari bersinar sejak 4.6 bilion tahun lalu. Apabila bekalan hidrogen di teras habis, bintang mengecut, semakin panas, dan mencetuskan peringkat pelakuran seterusnya.

Dalam apa yang dipanggil proses tiga-alfa, tiga nukleus helium-4 melakur menjadi karbon-12 — satu langkah perantaraan yang luar biasa tidak berkemungkinan, yang hanya berfungsi kerana karbon secara kebetulan memiliki tahap tenaga teruja yang sesuai. Bintang bersaiz besar kemudiannya mencetuskan peringkat pelakuran seterusnya hingga ke silikon dan akhirnya ke kawasan ferum-56 dan nikel-62 — di situlah lengkung tenaga ikatan mencapai maksimumnya (tepat pada nikel-62, hanya sedikit sahaja mendahului ferum-56 yang jauh lebih banyak wujudnya) dan pelakuran tidak lagi membebaskan tenaga.

Setiap peringkat pelakuran memerlukan suhu yang lebih tinggi, dan tempoh pembakarannya memendek secara drastik — peringkat terakhir sebelum teras ferum di sebuah bintang besar selalunya hanya berlangsung beberapa jam sahaja.

Melampaui ferum: tangkapan neutron

Oleh sebab pelakuran selepas ferum akan memerlukan tenaga sebaliknya membebaskannya, semua unsur yang lebih berat — daripada kobalt hingga uranium — terhasil melalui laluan lain: tangkapan neutron bebas, yang sendiri tidak perlu mengatasi tolakan elektrostatik. Selepas setiap tangkapan, nukleus tidak stabil boleh menukarkan neutron kepada proton melalui reputan β⁻ dan seterusnya meningkat menjadi unsur berikutnya. Bergantung kepada kelajuan neutron menghentam, dua proses yang sangat berbeza dapat dibezakan.

Asal-usul kosmik unsur-unsur

Jika semua laluan pembentukan digabungkan, asal-usul kosmik hampir setiap unsur dalam jadual berkala dapat ditentukan — hasil berdekad-dekad astrofizik, yang boleh digambarkan dengan jelas sebagai peta asal-usul.