إنتاج العناصر الثقيلة

وفقا لنظرية الانفجار العظيم عندما برد الكون أنه تجسمت الجسيمات الاولية من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات، وعندما برد الكون أكثر أصبحت درجة حرارته ملائمة لأن يمتص كل بروتون إلكترونا ويكون ذرة الهيدروجين ونسبته نحو 76% من المادة. كما تتفق حسابات نظرية الانفجار لعظيم بالنسبة إلى تكون العناصر الخفيفة الأخرى من الهيليوم وهو بنسبة 23% والثوريوم بنسبة نحو 1%.

ومع وجود الجاذبية بدأت تلك السحب العظيمة الأحجام في التكثف في بعض المناطق في الكون النشأ، نشا عنها تجمعات من المجرات والنجوم الضخمة ونجوم أخرى صغيرة. وتدبل المشاهدة والرصد الفلكي أن تكون النجوم بدأ بعد الانفجار العظيم بنحو 600 مليون سنة، في وقت أصبحت درجة الحرارة فيه منخفضة بحيث تسمح بنشأة النجوم والمجرات. وفي النجوم بدأ التفاعل النووي المبني على الاندماج النووي للهيدروجين ، وبدأ الهيدروجين يتحول إلى الهيليوم، (وهذا هو ما يحدث حاليا في قلب الشمس حسث يتحول الهيدروجين إلى الهيليوم وتنطلق طاقة التفاعل لامداد الأرض بالحرارة اللازمة للحياة) . وبحسب كتلة النجم تجري فيه عمليات الاندماج النووي المختلفة مكونة عناصر أثقل من الهيليوم مثل الكربون والأكسجين والنيتروجين والسيليكون. وتسمى تلك المرحلة من عمر النجم مرحلة تخليق العناصر. وفي النجوم تنتهي تلك المرحلة بتخليق الحديد.

عندئد يتوقف التفاعل النووي في النجم فجأة بسبب عدم إمكانية الحديد الدخول في تفاعلات اندماجية لإنتاج الطاقة، وقبل ذلك يكون النجم قد استهلك كل ما لديه من الهيدروجين والهيليوم. فتتغلب قوى الجاذبية على قوة الحرارة والضغط الداخلي بتوقف التفاعل الاندماجي وينهار النجم عل نفسه محدثا انفجارا شديدا ويصبح مستعر أعظم.

خلال انفجار النجم في صورة المستعر الأعظم تتكون العناصر الثقيل (الأثقل من الحديد) عن طريق امتصاص النيوترونات التي تتناثر كثيرا خلال الانفجار. وتعتقد العلماء في وجود عمليتين لامتصاص النيوترونات : أحدهما امتصاص بطيء (slow) للنيوترونات وتسمى عملية s process والعملية الثانية سريعة (rapid neutron capture) وتسمى r process . وتحدث عملية الامتصاص البطيئة للنيوترونات في أنواع النجوم البالغة الكبر s process (أكبر من الشمس 10 مرات وأكثر) وهي نجوم حرارية نباضة وتستغرق عدة مئات من السنين أو عدة آلاف سنين لتكوين عناصر ثقيلة مثل البزموث (83 بروتون و 126 نيوترون) من عناصر أخف. أما الامتصاص النيوتروني السريع فهو يحدث عندما ينفجر النجم بعد استهلاكة لكل الهيدروجين والهيليوم، وبانفجار النجم تتهيأ الظروف المناسبة من درجة حرارة عالية، وفيض هائل من النيوترونات والعناصر الأخرى لتخليق العناصر الثقيلة.

تلك التطورات في عمر النجوم هي التي تؤدي إلى تعدد امتصاص النيوترونات مكونة أنوية غنية بالنيوترونات، والتي تتحلل بعد ذلك عن طريق اضمحلال بيتا وتكون عناصر ثقيلة. ويحدث ذلك بصفة خاصة عند نقاط تسمى "نقاط انتظار" والتي تؤدي بمرور الزمن إلى تكون أنوية أكثر استقرارا، لها أغلفة ممتلئة كاملة بالنيوترونات فيما يسمى (الأعداد السحرية). وتبلغ فترة العملية السريعة r process في العادة عدة ثوان.