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 4 อะตอม หลอมรวมให้เกิดฮีเลียม 1 อะตอม
เนื่องจากมวลของโปรตอน 1 อนุภาค = 1.6726 x 10-27 kg
ดังนั้นโปรตอน 4 อนุภาค มีมวล 6.693 x 10-27 kg
แต่มวลของฮีเลียม 1 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 8 เท่าขึ้นไป ซึ่งเรียกว่า “ซูเปอร์โนวา” (Supernova)
สแตนฟอร์ด วูสเลย์ และ โทมัส วีฟเวอร์ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกา ได้สร้างแบบจำลองการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่มีมวล 25 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ได้ผลสรุปตามตารางที่ 1 พวกเขาพบว่า ดาวที่มีมวลมากจะเผาผลาญเชื้อเพลิงภายในอย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาฟิวชันธาตุหนักมีอัตราเร็วกว่าธาตุเบา ดาวมีชีวิตอยู่ในลำดับหลักนานเพียง 7 ล้านปี หลังจากนั้นจะเผาใหม้ฮีเลียมหมดภายใน 70,000 ปี เผาไหม้คาร์บอนหมดภายใน 600 ปี เผาไหม้ออกซิเจนภายใน 6 เดือน และจบสิ้นด้วยการฟิวชันซิลิกอนให้กลายเป็นเหล็ก โดยใช้เวลาเพียง 1 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 | 3,000,000,000,000 | 1/4 วินาที |
| ดาวระเบิด | 10,000 | ไม่แน่นอน | 10 วินาที |