तारों में तत्व कैसे बनते हैं

नाभिकीय संश्लेषण क्या है और शुरुआत में क्या था?

नाभिकीय संश्लेषण (nucleosynthesis) का मतलब है छोटे नाभिकों को जोड़कर नए परमाणु-नाभिक बनाना। यह मुख्य रूप से दो जगह हुआ: शुरुआती ब्रह्मांड में और तारों के अंदर।

बिग बैंग के पहले कुछ मिनटों में ब्रह्मांड इतना गरम था कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जुड़ सकते थे। फिर वह ठंडा हुआ और संलयन रुक गया। नतीजा: द्रव्यमान से लगभग तीन-चौथाई हाइड्रोजन और एक-चौथाई हीलियम, और बहुत थोड़ा लिथियम। इससे भारी कुछ नहीं बना। इसलिए पहले तारों में कार्बन, ऑक्सीजन या लोहा नहीं था।

तारा हाइड्रोजन से हीलियम कैसे बनाता है

गुरुत्व गैस के बादल को दबाता है। नए तारे का केंद्र बहुत गरम हो जाता है (लगभग 1 करोड़ डिग्री सेल्सियस से अधिक)। हाइड्रोजन के नाभिक धनावेशित होते हैं, इसलिए एक-दूसरे को दूर धकेलते हैं। इतनी गरमी और दबाव में ही वे इतने पास आते हैं कि जुड़ सकें।

कुल नतीजा: 4 हाइड्रोजन नाभिक (प्रोटॉन) से 1 हीलियम नाभिक बनता है। हीलियम नाभिक 4 प्रोटॉनों के कुल द्रव्यमान से थोड़ा हल्का होता है। यह कम हुआ द्रव्यमान ऊर्जा बन जाता है (E = mc²), जिससे तारा चमकता है। सूर्य जैसा तारा अपने जीवन का लगभग 90% समय बस यही करता है।

बड़े तारे भारी परमाणु बनाते हैं: कार्बन से लोहे तक

जब केंद्र की हाइड्रोजन कम होती है, केंद्र सिकुड़कर और गरम हो जाता है। अगर तारा काफ़ी भारी है, तो एक के बाद एक नया ईंधन जलता है:

• हीलियम जुड़कर कार्बन और ऑक्सीजन बनाता है (लगभग 10 करोड़ डिग्री)।
• कार्बन, नियॉन, ऑक्सीजन जुड़कर मैग्नीशियम, सिलिकॉन, सल्फर जैसे परमाणु बनाते हैं।
• सिलिकॉन जुड़कर लोहा और निकल बनाता है (अरबों डिग्री)।

हर नया ईंधन पिछले से तेज़ जलता है: हाइड्रोजन लाखों-करोड़ों साल चलती है, सिलिकॉन सिर्फ़ लगभग एक दिन। तारा प्याज़ जैसा हो जाता है: बाहर हाइड्रोजन, फिर हीलियम, कार्बन-ऑक्सीजन, सिलिकॉन और बीच में लोहे का केंद्र।

हमारा सूर्य इतना भारी नहीं है। वह कार्बन और ऑक्सीजन पर रुक जाएगा और श्वेत वामन (white dwarf) बनेगा।

लोहे पर संलयन क्यों रुकता है, और धमाका

छोटे नाभिक जुड़ें तो ऊर्जा निकलती है। लोहा-56 सबसे मज़बूती से बँधे नाभिकों में से एक है, इसलिए लोहे को जोड़ने में ऊर्जा खर्च होती है, मिलती नहीं। अब केंद्र तारे को सँभाल नहीं पाता। वह पल भर में ढह जाता है और बाहरी परतें उससे टकराकर उछलती हैं: यही सुपरनोवा है।

इस धमाके में बहुत सारे न्यूट्रॉन बनते हैं और नाभिक उन्हें तेज़ी से पकड़ लेते हैं। इससे लोहे से भारी परमाणु बनते हैं। न्यूट्रॉन तारों की टक्कर भी यही करती है और सोने जैसे तत्वों का बड़ा स्रोत है। धमाका सारे नए परमाणुओं को अंतरिक्ष में बिखेर देता है, उस गैस के साथ जिससे नए तारे बनेंगे।

सौरमंडल का पदार्थ: हम तारों के पदार्थ से बने हैं

सूर्य और ग्रह लगभग 4.6 अरब साल पहले एक ऐसे बादल से बने जिसमें पहले के तारे कार्बन, ऑक्सीजन, सिलिकॉन, लोहा आदि मिला चुके थे। इसीलिए सूर्य ज़्यादातर हाइड्रोजन-हीलियम है, पर लगभग 2% भारी तत्व भी हैं, और चट्टानी पृथ्वी में ज़्यादातर लोहा, ऑक्सीजन, सिलिकॉन और मैग्नीशियम हैं।

पानी की हाइड्रोजन बिग बैंग से आई। हमारे शरीर का अधिकतर कार्बन, साँस की ऑक्सीजन और खून का लोहा मरे हुए तारों से आया। इस अर्थ में हम तारों की धूल से बने हैं।

करके देखो: एक परमाणु की कहानी

3D खोलो और आख़िरी चरण पर जाओ। H, फिर He, C, Fe और Au चुनो। हर एक के लिए ज़ोर से बोलो: यह कहाँ बना और इसके लिए क्या हुआ? फिर अपने शरीर या घर का कोई तत्व चुनो (जैसे दूध का कैल्शियम) और उसकी कहानी पीछे तक ढूँढो। यह किस तारकीय चरण में बना?

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

• 4 H → 1 He + ऊर्जा (तारे)
• 3 He → C (लगभग 10 करोड़ डिग्री)
• Si → Fe, फिर केंद्र ढहता है (सुपरनोवा)
• E = mc² (कम हुआ द्रव्यमान ऊर्जा बनता है)
• बिग बैंग का मिश्रण: लगभग 75% H, 25% He (द्रव्यमान से)

हल किए गए उदाहरण

आम गलतियाँ

• यह सोचना कि तारे आग की तरह जलते हैं। वे नाभिकों को जोड़ते हैं; इसके लिए ऑक्सीजन नहीं चाहिए।
• यह कहना कि सारे तत्व तारों में बने। हाइड्रोजन और ज़्यादातर हीलियम बिग बैंग से आए।
• यह मानना कि सूर्य सुपरनोवा बनकर फटेगा। वह बहुत हल्का है और श्वेत वामन बनकर मंद पड़ जाएगा।
• यह सोचना कि लोहा सबसे भारी तत्व है। संलयन लोहे पर रुकता है, पर भारी परमाणु दूसरी घटनाओं से बनते हैं।