اطلاعات پایه ای

پروتون ها ونوترون ها ذرات موجود در هسته می باشند. نکلوسنتز روند ساخت هسته ها می باشد.   چند ثانیه پس از انفجار بزرگ روند ساخت هسته ها یا نکلوسنتز شروع شد.پس از سی ثانیه از انفجار بزرگ  هسته ی اولین اتم های آغازین پدیدار شدند.وقتی که عمر جهان به ده ثانیه رسید یک سری پروتون ها و نوترون ها را در واکنش هایی شرکت کردند که منجر به ساخته شدن هسته ی اتم هلیم چهار شد.هسته ی اتم  هیدروژن از هسته ی اولین اتم هایی بود که پس از انفجار بزرگ به وجود آمد.پس از سه و نیم دقیقه اولین ماده ی باریمی ساکن از هیدروژن و هلیم حاصل شد.در حقیقت یک سری  پروتون ها با گروهی از نوترون ها تشکیل هسته دادند ولی گروهی از نوترون ها برای خود پروتون پیدا نکردند .اگرچه این نوترون ها در حالت آزاد ساکن نبودند و برای چند ساعت بعد به  الکترون ها یا پروتون ها یا آنتی نوترون ها تبدیل شدند. در اولین روز های عالم 75% ماده ی باریمی به پروتون ها و 25% این ماده به هسته های هلیم تبدیل شد.(البته مقدار کمی از این ماده ی باریمی به هیدروژن سنگین  هلیم-3 و لیتیم-7 تبدیل شد.)هسته ی همه ی عناصر در ابتدا شروع به جذب الکترون در لایه های خود کردند کردند.  روند تبدیل این هسته ها به اتم ها بعد از 380 هزار سال یعنی وقتی دمای عالم به 3000 درجه سقوط کرد آغاز شد.
بر اساس آخرین داده ها اولین نسل ستارگان 200 سال پس از انفجار بزرگ تکامل یافتند.آن ستارگان بسیار بزرگ و سوزان بودند و چند میلیون سال می سوختند.داخل این ستارگان واکنش های گوناگون ترمو هسته ای رخ می داد .هسته ی هیدروژن و هسته  ی هلیم هسته ی بسیاری از عناصر سنگین را تشکیل می دادند.هسته های اتم ها  بعد از انفجار بزرگ در فضا پخش شدند و برای به وجود آمدن نسل بعدی ستارگان شرکت کردند.
چهار پروتون برای تشکیل هر کدام از هسته های هلیم لازم است که در جریان واکنش های مختلف می توانند به هلیم تبدیل شوند.چهار هسته ی هیدروژن می توانند در واکنشی شرکت کنند که به هسته ی هلیم تبدیل می شوند در این واکنش علاوه بر به وجود آمدن هسته ی هلیم کوانت های تابشی الکترومغناطیسی  دو پزیترون و دو نوترون به وجود می آیند که این ذرات داخل هسته ی هلیم قرار می گیرند.(پزیترون ها ذره های الکتریسیته ی با بار مثبت هستند.)
 جرم متوسط هسته ی اتم هلیم در حالت آزاد کمتر از جرم این ذرات می باشد.این خاصیت یعنی کمتر بودن جرم متوسط هسته از ذرات تشکیل دهنده ی آن (طبق جدول مندلیف)تا آهن پیش می رود.از خود آهن به بعد جرم متوسط هسته افزایش می یابد  بنابراین مشاهده می کنیم که آهن به هیچ عنصر دیگری تبدیل نمی شود .
به منظور اینکه پروتون ها بتوانند در پیوند های ترمو هسته ای یکی شوند آن ها باید تا شعاع عملکرد نیرو های هسته به یکدیگر نزدیک شوند پروتون ها برای این کار به انرژِی جنبشی نیاز دارند .بنابراین تبدیل هیدروژن به هلیم به دمای بسیار زیادی (بیش از 10میلیون درجه )نیاز دارد.احتراق های هسته ای در هسته ی عناصری رخ می دهد که هسته ی آن ها از پروتون ها ی زیادی تشکیل شده است .هرچه سنتز در ستارگان بیشتر صورت بگیرد عناصر سنگین تری تولید می شوند.(عناصر تولید شده مانند مس و اورانیوم می باشند.) سنتز های  داخل ستارگان شامل ربایش نوترون های آزاد توسط هسته های آهن می باشند.ربایش نوترون ها می تواند تند یا آرام صورت گیرد.اگر این ربایش آرام صورت بگیرد پروسه رابا  S  نام گذاری می کنند واگر این پروسه تند صورت بگیرد پروسه را با حرف R نام گذاری می کنند.هسته ی اتم دریافت کننده ی نوترون  در پروسه ی S هنگام تجزیه ی پرتو بتا تا دریافت کردن نوترون بعدی بزرگ می شود. هنگام تجزیه ی پرتو بتا یکی از نوترون های موجود در هسته به پروتون تبدیل می شود بنابراین بار هسته به اندازه ی یک ذره افزایش می یابد و عنصر به عنصر دیگری تبدیل می شود (عنصر به وجود آمده طبق جدول مندلیف سمت راست عنصر قبلی قرار دارد).چنین واکنش هایی سبب افزایش عدد اتمی عنصر می شوند یعنی عناصر سنگین تر به وجود می آیند . پروسه ی R به گونه ای دیگر است  به طوری که اتم سریع تر و قبل از تجزیه ی پرتو بتا نوترون جذب می کند و عدد اتمی عنصر افزایش می یابد.در ستاره های ساکن پروسه ی R با وجود  نوترون های آزاد انجام می شود و بنابراین برای انجام این پروسه نیاز به انفجار های بزرگ در این گونه ستارگان می باشند.در بعضی مواقع نکلوسنتزفقط  شامل گرفتن پروتون و پوزیترون می باشد هسته ی عناصری مانند قلع-112 و جیوه ی-196 این گونه به وجود می آیند.از سوی دیگر در هسته ی ستارگان چنین عناصر سبکی مانند لیتیم بریلیم و بور  می توانند به وجود می آیند  البته این عناصر سریع از بین می روند.این عناصر در فضا به دلیل برخورد هسته های کربن ازت و اکسیژن به هم به وجود می آیند پس از این برخورد مقدار زیادی ذره های باردار نیز تولید می شود.
 دوره ی اولین تئوری
اختر فیزیک علم جدیدی است.موضوع اصلی که این شاخه ی علم نجوم آن را بررسی می کند طیف نور خورشید و ستارگان می باشد.در آلمان گستاو کرشف خطوط لیتیم و کلسیم را در طیف نور خورشیدمورد بررسی قرار داد  در انگلیس نرمن لاکر و فرانسز پیر عنصر هلیم را کشف کردند.  این تحقیقات  اولین پایه های اختر فیزیک را بنیان نهاد.یکی از دانشمندان دیگر در زمینه ی اختر فیزیک آنجلو سچی بود که طیف های زیادی را مورد بررسی قرار داد و اولین سیستم طیفی ستارگان را پیشنهاد داد.
در حقیقت بنیان گذاران اصلی این شاخه ی علم نجوم بریتانیایی بودند که آرتور ستنلی ادینگتن و جیمز جینز از این دسته بودند.ادینگتن اولین تئوری ساختار ستارگان را بیان کرد.در سال 1926 او مقاله ای درباره ی چگونگی ساختمان داخلی ستارگان منتشر کرد که در آن گفته شده بود که در مرکز خورشید حرارت تا 40 میلیون درجه می رسد .جالب این است که تئوری ادینگتن در مورد قانون اصلی گاز ها قانون های عمومی ترمو دینامیک تئوری تابش و تئوری کشش به کار برده شد.
ولی ما امروزه می دانیم که دما در مرکز خورشید حداکثر به 15 میلیون درجه می رسد.کمی بعد پرسشی به وجود آمد و آن این بود که چرا  سوختی که در خورشید می باشد چنین حرارتی تولید می کند.در قانون ادینگتن جواب صحیح آمده بود در آن یاد شده بود که در خورشید هیدروژن به هلیم  تبدیل می شود.
باید گفته شود که 80 سال پیش منجمان هیچ چیزی از هسته ی ستارگان نمی دانسنتند.در هسته ی برخی ستارگان عناصری وجود دارند که روی زمین هم وجود دارند.در سال 1925 اختر شناس امریکایی به نام سسیلی پین به این نکته رسید که هیدروژن و هلیم 98 درصد خورشید را تشکیل می دهند  البته کسی نظریه ی وی را باور نکرد.ایده ی او در اوایل دهه های1930 مورد قبول واقع شده بود.مقارن با آن زمان ادینگتن کتابی نوشت که در آن گفته شده بود که مقدار هیدروژن در خورشید بیش از 7 درصد نیست.
بعد از انتشار کتاب ادینگتن می توانست گفته شود مشکل برای موضوع سرچشمه ی انرژی ستارگان حل شد.                   
کوانت خورشیدی
با تلاش های فیزیک دان آلمانی  فریتسا هاترمانس و همکاری های روبرت آتکینسون کار بر روی آنالیز سنتز هلیم در هسته ی خورشید بر پایه ی تئوری تجزیه ی پرتو آلفا آغاز شد.این تئوری توضیح می دهد که چگونه ذره های آلفا از هسته های  رادیواکتیوی خارج می شوند اگرچه این تئوری با قانون بقای انرژی تناقض دارد.
در سال 1932 جیمز چادویک ذره ی جدیدی به نام نوترون را کشف کرد.فیزیک دانان در آن زمان فهمیدند که ذره ی آلفا از دوپروتون و دو نوترون تشکیل شده است.تا آن زمان دانشمندان فکر می کردند که در مرکز خورشید نوترون های آزاد وجود ندارند ولی هاترمانس و اکتینسون فرضیه ای دادند که بر مبنای آن پروتون های داخل خورشید به نوترون تبدیل می شوند.
60 سال بعد این فرضیه به دست  دانشمند آلمانی به نام کارل فردریک فون واکزکر اثبات شد.او اثبات کرد که سنتز هسته ی هلیم به کمک تجزیه ی پرتو بتا به دو روش ممکن است.که یکی از این روش ها را سیکل هیدروژنی و دیگری را سکیل کربنی می نامند.سیکل هیدروژنی از ارتباط دو پروتون که یکی از آن ها سریع به نوترون تبدیل می شودبه وجود می آید.از نتیجه ی این ارتباط هسته ی هیدروژن سنگین(دی تری)و همچنین  پزیترون و نوترون  به وجود می آید.هسته ی هیدروژن سنگین (دی تری)یک پروتون جذب می کند و به هسته ی هلیم-3 و گاما کوانت تبدیل می شود.هسته ی هلیم-3 با هسته ی هلیم-3 دیگری برخورد می کند و این دو هسته در واکنشی در واکنشی شرکت می کنند که منجر به ساختن هسته ی هلیم-4 
و مقداری پروتون می شود. به کلی ساخته شدن هسته ی هلیم از 4 پروتون  مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.قسمتی کمی از این انرژی آزاد شده نوترون با خود می برد و قمست بزرگ این انرژی آزاد شده در هسته ی سوزان خورشید می رود.
زنجیره ی واکنش های کربنی یا CNO کمی بیشتر طول می کشد برای این انجام واکنش ها هسته ی کربن لازم است.چون  هسته ها ی کربن  به عنوان یک کاتالیزور یا آسان کننده ی واکنش می باشند.در این سیکل مقدار زیادی انرژی آزاد می شود که در صد کمی از آن نوترون به همراه خود دارد.مقدار ماده ی مفید تولید شده در هر دو سیکل(هیدروژِنی و کربنی)یکسان می باشد.ولی سرعت این دو انجام واکنش ها در این دو سیکل با هم متفاوت می باشند.با توجه به اطلاعات داده شده سرعت سیکل هیدروژنی 14 میلیارد سال و سرعت سیکل کربنی 330 میلیون سال می باشد.سیکل کربنی در ستارگان سنگین تر و سیکل هیدروژنی در ستارگان کم جرم تر رخ می دهد.
همزمان با واکزر دانشمند آلمانی دیگری به نام گانس بته در امریکا سرگرم مطالعه درباره ی این سیکل ها بود.در سال 1938 گانس بته به دعوت ادوارد تلر به واشنگتن آمد.در وانشنگتن او سیکل های کربنی و هیدروژنی را مورد تجزیه قرار داد و به همین دلیل در سال 1967 بته جایزه ی نوبل دریافت کرد.
بنابراین در اواخر دهه ی 1930 به خوبی مشخص شد که هنگام سنتز هلیم در هسته ی ستارگان چه واکنش هایی رخ می دهد همچنین اطلاعاتی بسیار کاملی درباره ی منشا انرژی ستارگان به دست آمد. به نظر می آید که هنگام ربایش پروتون توسط هسته ی هلیم هسته ی لیتیم به وجود می آمد و در اثر اتصال دو هسته ی هلیم بریلیم-8 به وجود می آید.اگرچه این ایزوتوپ ها به شدت ناپایدار می باشند. برای مثال هسته ی بریلیم 10-17 ثانیه پس از به وجود آمدنش از هم می پاشد.
فرد هویل فیزیک دان معروف انگلیسی فرضیه ای داد که بر مبنای آن گفته شده بود که در اثر اتصال هسته های بریلیم-8 و هلیم کربن-12 می تواند حاصل شود در صورتی که هسته ی کربن تراز انرژی بسیار بالایی داشته باشد.در سال 1957 هویل و چند دانشمند دیگر مقاله منتشر کردند که در آن تئوری نکلو سنتز ستارگان توضیح داده شده بود.