นิวเคลียร์ฟิวชัน

เนบิวลามีเนื้อสารเป็นกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนขนาดใหญ่ซึ่งมีมวลและความหนาแน่นไม่เท่ากัน ดังนั้นดาวฤกษ์แต่ละดวงที่เกิดขึ้นมาใหม่จึงมีมวลตั้งต้นไม่เท่ากัน ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้ดาวแต่ละดวงมีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่แก่นกลาง และสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน  เมื่อโปรโตสตาร์ที่มีมวลตั้งต้นเท่ากับดวงอาทิตย์ พัฒนาเป็นดาวฤกษ์เกิดใหม่  แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้มวลก๊าซกดทับกันจนแก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน "กระบวนการลูกโซ่โปรตอน" (Proton-Proton Chain หรือ P-P chain)  หลอมรวมอะตอมของธาตุไฮโดรเจน (เลขอะตอม 1) ให้เป็นอะตอมของธาตุฮีเลียม (เลขอะตอม 2) และแผ่รังสีแกมมาออกมา ตามแผนผังในภาพที่ 1 

เนื่องจากมวลของโปรตอน 1 อนุภาค = 1.6726 x 10-27 kg  
ในการเกิดฟิวชันจะมีไฮโดรเจน 4 อะตอม คิดเป็นมวล = 6.693 x 10-27 kg
แต่มวลของฮีเลียม 1 อะตอม ที่เกิดหลังฟิวชัน = 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-พลังงานของไอน์สไตน์ดังนี้

                E = mc2 

โดยที่  E = พลังงาน มีหน่วยเป็นจูล (Joule)
              m = มวลสาร มีหน่วยเป็นกิโลกรัม (kg)
              c = ความเร็วแสง = 3 x 108 เมตร/วินาที (m/s)

มวลที่หายไปเปลี่ยนรูปเป็นพลังงาน 

                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 แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้มวลก๊าซกดทับกันจนแก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงกว่า 16 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่รุนแรงกว่า P-P Chain เรียกว่า “วัฏจักร CNO” (Carbon - Nitrogen - Oxygen Cycle) ทำให้เกิดธาตุคาร์บอน (เลขอะตอม 6), ไนโตรเจน (เลขอะตอม 7) และ ออกซิเจน (เลขอะตอม 8) ตามแผนผังในภาพที่ 2

นิวเคลียร์ฟิวชันเป็นกระบวนการหลอมรวมธาตุเบาให้เกิดธาตุหนัก การฟิวชันธาตุหนักต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าธาตุเบา ดังนั้นมวลตั้งต้นของโปรโตสตาร์จะต้องมีมากพอที่จะสร้างแรงโน้มถ่วงและความกดดันให้แก่นกลางของดาวมีอุณหภูมิสูงพอที่จะจุดฟิวชัน และปฏิกริยาที่เกิดขึ้นจะมีความรุนแรงและเผาผลาญเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว ดังนั้น ดาวฤกษ์มวลมากจึงมีปฏิกริยาที่รุนแรง มีอุณหภูมิสูง และมีอายุขัยสั้นกว่าดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย  ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันดำเนินต่อเนื่องไปจนกระทั่งเกิดธาตุเหล็ก (เลขอะตอม 26) เหล็กเป็นธาตุสุดท้ายของปฏิกิริยาฟิวชัน เหล็กไม่สามารถหลอมรวมให้เกิดธาตุหนักกว่าได้  (เนื่องจากค่ามวลต่ออนุภาคนิวเคลียร์จะเพิ่มขึ้น)  ธาตุที่หนักกว่าเหล็กเกิดขึ้นจากการระเบิดของดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 8 เท่าขึ้นไปซึ่งเรียกว่า “ซูเปอร์โนวา” (Supernova) 

สแตนฟอร์ด วูสเลย์ และ โทมัส วีฟเวอร์ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกา ได้ทำการทดลองสร้างแบบจำลองการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่มีมวล 25 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ พบว่า ดาวที่มีมวลมากจะเผาผลาญเชื้อเพลิงภายในอย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาฟิวชันธาตุหนักมีอัตราเร็วกว่าธาตุเบา ดาวมีชีวิตอยู่ในลำดับหลักนานเพียง 7 ล้านปี หลังจากนั้นจะเผาไหม้ฮีเลียมหมดภายใน 70,000 ปี เผาไหม้คาร์บอนหมดภายใน 600 ปี เผาไหม้ออกซิเจนภายใน 6 เดือน และจบสิ้นด้วยการฟิวชันซิลิกอนให้กลายเป็นเหล็ก โดยใช้เวลาเพียง 1 วัน หลังจากนั้นแก่นของดาวจะยุบตัวและระเบิดอย่างรวดเร็ว  รายละเอียดในตารางด้านล่าง

 เนบิวลา | โปรโตสตาร์ | กระจุกดาวเปิด | นิวเคลียร์ฟิวชัน | ดาวลำดับหลัก | จุดจบของดาวฤกษ์ | ดาวนิวตรอน | หลุมดำ