Первые химические элементы возникли не в звёздах. В первые минуты горячей Вселенной сформировались главным образом ядра водорода и гелия, а также следы лития. Большинство ядер от углерода до элементов железной группы появилось позже — в звёздах, но не в одной универсальной цепочке.
Почему звезда может получать энергию из синтеза
Масса связанного ядра немного меньше суммы масс исходных частиц; разность выходит как энергия. Для лёгких ядер слияние обычно ведёт к более прочно связанным продуктам. В звезде давление и температура позволяют преодолевать электрическое отталкивание ядер, а квантовое туннелирование делает реакции возможными при температурах ниже простого классического порога.
В Солнце водород превращается в гелий преимущественно через протон-протонную цепочку. В более массивных звёздах важен CNO-цикл. После исчерпания водорода достаточно горячее ядро может синтезировать углерод из гелия, а массивные звёзды переходят к последующим стадиям горения.
От углерода к железной группе
У массивной звезды формируются слои с разным «топливом»: углеродом, неоном, кислородом и кремнием. Последняя стадия создаёт смесь ядер около железа и никеля. Выражение «все элементы до железа последовательно получаются добавлением гелия» слишком грубо: действуют сети реакций, фоторазрушение и перераспределение частиц.
Железная группа близка к максимуму энергии связи на нуклон. Дальнейший синтез не даёт звезде устойчивого источника энергии, поэтому железное ядро массивной звезды теряет поддержку и может коллапсировать.
Как элементы выходят в космос
Звёздные ветры и сброс оболочек возвращают углерод, азот и другие продукты в межзвёздную среду ещё до взрыва. Сверхновая выбрасывает вещество и создаёт новые условия нуклеосинтеза. Элементы тяжелее железа во многом формируются захватом нейтронов — медленным процессом в стареющих звёздах и быстрым процессом в катастрофических событиях, включая слияния нейтронных звёзд.
NASA разбирает зависимость судьбы и нуклеосинтеза от массы в обзоре Stars. Правильная краткая формула такова: Большой взрыв дал лёгкое исходное вещество, звёзды собрали многие ядра до железной группы, а поздние и взрывные процессы дополнили периодическую таблицу.
