Чому залізо - це останній хімічний елемент, що утворюється зіркою, яка колапсує? Що такого особливого в залізі?
Насправді мова йде не про залізо, а нікель. Точніше кажучи, нестабільний ізотоп нікелю - він розпадається назад на залізо, і далі по новому колу..
Особливість заліза полягає в тому, що його ізотоп, залізо-56, має найвищу енергію зв'язку на нуклон серед усіх можливих елементів. Як наслідок, ядерний синтез може вивільнити енергію лише шляхом злиття найлегших атомів або утворити залізо з меншою масою.
У зірці температура і великий тиск змушують легкі елементи, гелій і водень, зливатися у важчі елементи. З часом зорі перетворюються на “тримачі” важких елементів, аж до появи нікелю (якщо зоря достатньо велика).
Зірки проходять через передбачувану серію термоядерних реакцій, коли спочатку легкі елементи перетворюються на важчі, а потім запускають процес синтезу ще більш важких елементів. Але в одну прекрасну мить зірка втрачає здатність підтримувати власну масу, оскільки потрібно додавати енергію, а не отримувати її.
Тому найпоширенішими елементами у Всесвіті залишаються гелій, кисень, азот і вуглець, які насправді є ранніми побічними продуктами зоряного синтезу.
Інший найпоширеніший елемент, неон, утворюється з берилію, який мав бути набагато поширенішим, але він утворюється у вкрай нестабільній формі всередині зірок, як і нікель.
Тож питання: якщо зоряний синтез не може продовжуватись далі заліза, а всесвіт спочатку був сповнений лише водню та гелію, звідки взялись уран та всі інші елементи?
Після того, як значна частина зорі перетворюється на залізо, легших елементів не вистачає для продовження ядерного синтезу зі швидкістю, достатньою для утримання власної гравітації.
Зірка колапсує за кілька секунд, подібно до частинок, які зіштовхуються в дослідницькому прискорювачі. Вся маса стискається настільки енергійно, що залізо та інші важкі атоми зливаються в найважчі частинки - навіть якщо ця реакція споживає частину енергії колапсу.
Чому зірки передчасно не колапсують?
Зауважимо: не дуже стійка реакція термоядерного синтезу подібна до тієї, що живить зорю мільйони років. Але через мить вона закінчується. Більшість атомів миттєво зливається, вивільняючи достатньо енергії, щоб розірвати зорю на шматки.
В результаті утворюється наднова, і вона викидає частину того, що колись було зіркою, назад у космос, де й переробляється на нові зорі та/або сонячні системи, збагачені важкими елементами.
Речовини, важчі за залізо, також синтезуються в результаті інших високоенергетичних космічних подій, зокрема, при спалаху гіпернової та зіткненні нейтронних зірок.
