นิวเคลียร์ฟิวชัน

       เนบิวลามีกลุ่มแก๊สซึ่งมีมวลและความหนาแน่นไม่เท่ากัน ดังนั้นดาวฤกษ์แต่ละดวงที่เกิดขึ้นมาใหม่จึงมีมวลตั้งต้นไม่เท่ากัน ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้ดาวแต่ละดวงมีปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่แก่นกลางและสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน  เมื่อโปรโตสตาร์ที่มีมวลตั้งต้นเท่ากับดวงอาทิตย์ พัฒนาเป็นดาวฤกษ์เกิดใหม่  แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้มวลแก๊สกดทับกันจนแก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน "กระบวนการลูกโซ่โปรตอน" (Proton-Proton Chain หรือ P-P chain)  หลอมรวมอะตอมของธาตุไฮโดรเจน (เลขอะตอม 1) ให้เป็นอะตอมของธาตุฮีเลียม (เลขอะตอม 2) และแผ่รังสีแกมมาออกมา โดยเขียนเป็นสมการข้างล่าง โดยสรุปรวมได้ว่า ไฮโดรเจน อะตอม หลอมรวมให้เกิดฮีเลียม อะตอม    

        เนื่องจากมวลของโปรตอน อนุภาค = 1.6726 x 10-27 kg 
        ดังนั้นโปรตอน อนุภาค มีมวล 6.693 x 10-27 kg 

        แต่มวลของฮีเลียม อะตอม = 6.645 x 10-27 kg 
        ดังนั้น มวลที่หายไป = (6.693 x 10-27) - (6.645 x 10-27) kg = 0.048 x 10-27 kg

        มวลที่หายไปเปลี่ยนเป็นโฟตอนของรังสีแกมมา ซึ่งมีพลังงานคิดได้ด้วยสูตรมวล-พลังงาน 
E = mc2 ของไอน์สไตน์ดังนี้ 

                E = พลังงาน มีหน่วยเป็นจูล (Joule) 

                m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg) 

                 c = ความเร็วแสง = 3 x 108 เมตร/วินาที (m/s)

                E = mc2 

                   = (0.048 x 10-27 kg)(3 x 108 m/s)2 

                   = 4.32 x 10-12 Joules 

        จากสมการข้างบน เราสามารถสรุปได้ว่า ไฮโดรเจน 1 kg เปลี่ยนเป็นฮีเลียม 0.993 kg  มวล 0.007 kg ที่หายไปเปลี่ยนเป็นพลังงาน  6.3 x 1014 จูล หรือเทียบเท่าการเผาถ่านหิน 20,000 ตัน และเมื่อไฮโดรเจนบนดาวหลอมรวมเป็นฮีเลียมหมดแล้ว  ฮีเลียมบนดาวก็จะหลอมรวมกันเป็นธาตุที่หนักกว่าต่อไป

        ในกรณีที่โปรโตสตาร์มีมวลตั้งต้นมากกว่าดวงอาทิตย์ 1.3 เท่า แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้มวลแก๊สกดทับกันจนแก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงกว่า 16 ล้านเคลวิน จุดปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่รุนแรงกว่า เรียกว่า “วัฏจักร CNO” (Carbon - Nitrogen - Oxygen Cycle) ทำให้เกิดธาตุคาร์บอน (เลขอะตอม 6), ไนโตรเจน (เลขอะตอม 7) และ ออกซิเจน (เลขอะตอม 8) ดังสมการข้างล่าง


 

        นิวเคลียร์ฟิวชันเป็นกระบวนการหลอมรวมธาตุเบาให้เกิดธาตุหนัก การฟิวชันธาตุหนักต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าธาตุเบา ดังนั้นมวลตั้งต้นของโปรโตสตาร์จะต้องมีมากพอที่จะสร้างแรงโน้มถ่วงและความกดดันให้แก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงพอที่จะจุดฟิวชัน และปฏิกริยาที่เกิดขึ้นจะมีความรุนแรงและเผาผลาญเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว ดังนั้น ดาวฤกษ์มวลมากจึงมีปฏิกริยาที่รุนแรง มีอุณหภูมิสูง และมีอายุขัยสั้นกว่าดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย  ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันดำเนินต่อเนื่องไปจนกระทั่งเกิดธาตุเหล็ก (เลขอะตอม 26) เหล็กเป็นธาตุสุดท้ายของปฏิกิริยาฟิวชัน เหล็กไม่สามารถหลอมรวมให้เกิดธาตุหนักกว่าได้  (เนื่องจากค่ามวลต่ออนุภาคนิวเคลียร์จะเพิ่มขึ้น)  ธาตุที่หนักกว่าเหล็กเกิดขึ้นจากการระเบิดของดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ เท่าขึ้นไป ซึ่งเรียกว่า “ซูเปอร์โนวา” (Supernova) 

        สแตนฟอร์ด วูสเลย์ และ โทมัส วีฟเวอร์ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกา ได้สร้างแบบจำลองการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่มีมวล 25 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ได้ผลสรุปตามตารางที่ 1 พวกเขาพบว่า ดาวที่มีมวลมากจะเผาผลาญเชื้อเพลิงภายในอย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาฟิวชันธาตุหนักมีอัตราเร็วกว่าธาตุเบา ดาวมีชีวิตอยู่ในลำดับหลักนานเพียง ล้านปี หลังจากนั้นจะเผาใหม้ฮีเลียมหมดภายใน 70,000 ปี เผาไหม้คาร์บอนหมดภายใน 600 ปี เผาไหม้ออกซิเจนภายใน เดือน และจบสิ้นด้วยการฟิวชันซิลิกอนให้กลายเป็นเหล็ก โดยใช้เวลาเพียง วัน หลังจากนั้นแก่นของดาวจะยุบตัวและระเบิดอย่างรวดเร็ว


ตารางที่ 1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวล 25 เท่าของดวงอาทิตย์

 ขั้นตอน อุณหภูมิที่แก่นกลาง
(ล้านเคลวิน)
 ความหนาแน่นที่แก่นกลาง
(กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร)
 ระยะเวลาที่เกิด
 ฟิวชันไฮโดรเจน 10 5,000    7 ล้านปี
 ฟิวชันฮีเลียม 100 700,000 7 แสนปี
 ฟิวชันคาร์บอน 600 200,000,000 600 ปี
 ฟิวชันนีออน 1,200 4,000,000,000 1 ปี
 ฟิวชันออกซิเจน 1,500 10,000,000,000 6 เดือน
 ฟิวชันซิลิกอน 2,700 30,000,000,000 1 วัน
 แก่นดาวยุบตัว 5,400 3,000,000,000,0001/4 วินาที
 ดาวระเบิด  10,000  ไม่แน่นอน 10 วินาที