خورشید

خورشید: راکتور گداخت هیدروژنی

ناظران اولیه فرایند تولید انرژی در خورشید را به صورت واکنشهای شیمیایی، شبیه به سوختن زغال، توضیح می دادند. امروزه می گوییم، ”خورشید هیدروژن می سوزاند“، اما این عبارت اشاره به فرایندی بسیار شگفت تر و انرژی زاتر از عمل سوختن است. سوختن نمی تواند مقدار انرژی عظیمی را که از سطح خورشید به بیرون می تابد تولید کند. منبع واقعی انرژی خورشیدی واکنش هسته ای است، شبیه به واکنشی که در بمب هیدروژنی صورت می گیرد؛ با این تفاوت که این واکنشها در خورشید مهار شده اند. دما در هسته خورشید 15 میلیون درجه کلوین و فشار در آ«جا یک میلیارد اتمسفر است. در چنین محیطی اتمها به هم جوش می خورند، و در این فرایند انرژی زیادی آزاد می شود. بیایید به سوخت این واکنش، که اتم هیدروژن باشد، نگاهی بیندازیم. هیدروژن، ساده ترین اتم موجود در عالم، مرکب از یک پروتون (ذره ای با بار مثبت) در هسته و یک الکترون ( ذره ای با بار منفی) در فاصله ای دور از هسته است. (در اینجا فعلاً الکترون را نادیده می گیریم، زیرا عمدتاًبا تغییرات هسته ای سروکار داریم.) در شرایط عادی دو پروتون که بارهای مثبت دارند یکدیگر را دفع می کنند. اما در شرایط دمای زیاد و بشار زیاد حاکم بر هسته خورشید، نیروی اتصال هسته مؤثرتر از نیروی رانشی الکتروستاتیکی است که پروتونهای با بار مثبت را از یکدیگر می رانند، در نتیجه این دو پروتون یکدیگر را جذب می کنند. وقتی دو یا چند ذره هسته ای به هم جوش می خورند (به هم می چسبند)، ایزوتوپ یا عنصر جدیدی تشکیل می شوند. نخستین مرحلث در این واکنش وقتی صورت می گیرد که دو هسته هیدروژن به هم جوش می خورند و شکل خاصی از هیدروژن به نام دوتریم ( ₁²H ) تشکیل می شود. این واکنش را می توان به صورت زیر، که در آن ⨁ نماینده پروتون و نماینده نوترون است، تصور کرد،

پوزیترون ذره ای است با جرمی همانند الکترون، اما یک بار مثبت دارد. نوترینو ذره ای است با جرمی بسیار اندک و بدون بار اکتریکی. آشکار سازی نوترینوها، به سبب ویژگیهای خاصی که دارند، بسیار دشوار است، ولی این ذرات حامل مقادیر زیادی از انرژی خورشید هستند. دومین مرحلث وقتی روی می دهد که اتم دوتریم باز هم با اتم هیدروژن دیگری جوش می خورد. در این عمل هلیم-3 و پرتو گاما (پرتو-γ) تولید می شود:

پرتو گاما نوعی تابش الکترومغناطیسی پرانرژی، و بنابراین حامل مقدار زیادی انرژی خورشید، است. سومین مرحله وقتی روی می دهد که دو اتم هلیم-3 به هم جوش می خورند. در این عمل یک اتم هلیم-4 و دو اتم هیدروژن تشکیل می شود:

چون در واکنش نهایی دو اتم هیدروژن باقی می ماند، فقط چهار اتم هیدروژن برای تشکیل اتم هلیم-4 مصرف می¬شود؛ اما جرم اتم هلیم-4 اندکی کمتر از جرم چهار اتم هیدروژن است. همین تفاوت جرم است که به انرژی تبدیل می شود و منبع عمده انرژی خورشیدی و سایر ستارگان را تشکیل می دهد.

برای مشخص کردن جرم هسته معینی، بنابر قرارداد، یک دوازدهم جرم هسته کربن-12 به عنوان جرم واحد اتم، amu پذیرفته شده است. در این صورت جرم یک اتم هیدروژن (1.008amu) اندکی بیشتر از جرم یک تک پروتون در اتم کربن است. جرم چهار پروتون هیدروژن باید 4.032amu باشد، اما وقتی این چهار اتم به صورت یک اتم هلیم-4 به هم جوش خورده باشند، جرم این اتم 4.003amu می شود؛ بنابراین 0.029amu به انرژی تبدیل شده است. این انرژی دقیقآَ چقدر است؟ رابطه میان جرم و انرژی را انیشتین با معادله E=mc² بیان کرده است، که در آن E مقدار انرژی (برحسب ژول یا ارگ)، m جرم تبدیل شده (برحسب گرم)، و ز سرعت سیر نور(برحسب سانتی متر بر ثانیه) است. سرعت سیر نورcm/sec 10¹⁰×3 است که اگر به توان 2 برسد، 10²⁰ ×9 بدست می آید. بنابراین، بیان معادله انیشتین با واحد های یاد شده عبارت از این خواهد بود که انرژی تولید شده 10²⁰ ×9 برابر جرم تبدیل شده است. خورشید در هر ثانیه 4.5 میلیون تن جرم را به انرژی تبدیل می کند. این انرژی تقریباَ معادل انرژی حاصل از انفجار 100 میلیار تن TNT در هر ثانیه است. خورشید حتی با این آهنگ تبدیل جرم می تواند، فقط با استفاده از مقدار هیدروژنی که فعلاَ در هسته آن موجود است، به مدتی بیش از 10 میلیارد سال دیگر به این واکنش ادامه دهد. واکنش هسته ای که طرح کلی آن را بیان کردیم را چرخه پروتون-پروتون می نامند. این واکنش در دمای هسته مرکزی که در حدود 15 میلیون درجه کلوین است به راه می افتد و ادامه می یابد. در دماهای بالاتر، واکنشی به نام چرخه CNO اهمیت بیشتری پیدا می کند، اما نتیجه کلی آنها تقریباَ یکی است: چهار هسته هیدروژن واکنش می کنند تا یک هسته هلیم-4 تشکیل شود، اختلاف جرم به انرژی تبدیل می شود. کربن، نیتروژن، و اکسیژن صرفاَ نقش کاتالیزور این واکنش را بازی می کنند.

همجوشی گرماهسته ای با پدیده سطحی تر سوختن تمایز فاحشی دارد. اما، اخترشناسان نوعاَ این فرایند همجوشی را سوختن هیدروژن مینامند. به همین معنا، منظور از اصطلاح سوختن هلیم عبارت است از فرایند همجوشی هلیم برای تشکیل عناصر باز هم سنگینتر.<ref name="multiple1">کتاب نجوم دینامیکی / نوشته رابرت تی دیکسون / ترجمه احمد خواجه نصیر طوسی </ref>