ง การผลิตพลังงานภายใน

ปฏิกิริยาอันเป็นปัจจัยหลักในการสร้างพลังงานของดวงดาว คือ ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน ดังที่กล่าวมาแล้ว เพราะเงื่อนไขอำนวย คือไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบหลักของดาว และอุณหภูมิในแกนดาวทั่วๆไป ที่มีมวลไม่มากนัก เช่น ดาวขนาดเท่าดวงอาทิตย์ ก็ไม่อำนวยให้ปฏิกิริยาในรูปแบบอื่นเกิดขึ้นได้

แต่ในดาวทั่วไปก็ยังมีสารประกอบอย่างอื่น นอกเหนือไปจากไฮโดรเจน แม้จะมีเป็นจำนวนน้อย เช่น คาร์บอน ไนโตรเจน และอ็อกซิเจน ในดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ สามารถดึงตัวยุบเข้ามา ได้มากกว่าดาวขนาดเล็ก ทำให้เกิดความร้อนในแกนกลางมากขึ้น จนทำให้อะตอมขนาดใหญ่ขึ้นนี้ เอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้า (หรือ กำแพงคูลอมบ์ ) จนมาหลอมรวมกันได้ เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นอีกรูปแบบหนึ่ง ที่เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมเช่นเดียวกับ ลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน แต่ใช้คาร์บอนเป็นตัว catalyst คือมาทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปได้ แต่ตัวเองไม่ได้เปลี่ยนแปลงอะไรไปกับเขา ปฏิกิริยานี้เรียกว่า วงจร CNO (CNO cycle) ที่สรุปแล้วได้ผล ดังนี้

(ภาพที่ ๓๘) ขั้นตอนของ วงจร CNO ภาพโดย Prof. Terry Herter แห่งมหาวิทยาลัย Cornell

1.  ¹²C + ¹H -> ¹³N + พลังงานรังสีแกมม่า
2.  ¹³N       -> ¹³C + โพสิตรอน + นิวทรีโน
3.  ¹³C + ¹H -> ¹⁴N + พลังงานรังสีแกมม่า
4.  ¹⁴N + ¹H -> ¹⁵O + พลังงานรังสีแกมม่า
5.  ¹⁵O       -> ¹⁵N + โพสิตรอน + นิวทรีโน
6.  ¹⁵N + ¹H -> ¹²C + ⁴He

ผลรวมคือ

¹²C + 4(¹H) -> ¹²C + ⁴He

โดยได้ คาร์บอน กลับมา ตามเดิม จึงนับว่า คาร์บอนเป็นเพียง แค้ตตาลิสต์ เท่านั้น

จากภาพข้างล่างจะเห็นว่า เมื่ออุณหภูมิเกิน ๑๖ ล้านองศา วงจร CNO ก็จะเป็นปฏิกิริยาหลักที่ทำให้ไฮโดรเจนรวมกับฮีเลียม และได้พลังงานมากกว่า ลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน มาก ดาวที่ขนาดไม่ใหญ่พอ ไม่สามารถเกิดอุณหภูมิสูงขนาดนั้น เช่นดวงอาทิตย์ หลังจากก่อตัวเริ่มมาจากอุณหภูมิ ๑๐ ล้านองศาตอนแรกเกิด อุณหภูมิในแกนกลาง ก็ค่อยไต่ขึ้นขึ้นสูงไปถึง ๑๕ ล้านองศา เมื่อเข้าสู่เสถียรภาพของดาวในวิถีหลักแล้ว แต่แม้จะร้อนหนักหนาปานนั้น มันก็ยังสูงไม่พอ จึงอาศัยแต่ ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน เป็นหลักในการเผาผลาญพลังงาน

ในดาวขนาดใหญ่ จะมีแรงดึงเข้าหากันสูงกว่า ด้วยมวลที่มากกว่า อุณหภูมิในแกนกลาง จึงสามารถขึ้นสูงไปได้เกิน ๑๖ ล้านองศา ที่พอจะก่อให้ปฏิกิริยา วงจร CNO เกิดขึ้นมาได้นั้น จากพล็อตข้างล่างจะเห็นได้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น แบบที่ใช้ คาร์บอน มาเป็น แค้ตตาลิสต์ ให้ไฮโดรเจนรวมกันเป็นฮีเลียมนั้น จะได้พลังงานมากกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน มาก จึงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่า หากมีเงื่อนไขพอเพียง คืออุณหภูมิสูงพอ

แต่ไม่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาแบบไหน ที่สำคัญก็คือ ดวงดาวในวิถีหลักทำการเผา ไฮโดรเจน ให้เป็น ฮีเลียม ในแกนกลางของมัน เพื่อเป็นปัจจัยในการดำรงชีวิตของดวงดาว

(ภาพที่ ๓๙) ความสัมพันธ์ระหว่าง อุณหภูมิ และ ชนิดของปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ว่าจะเป็นแบบ โปรตอน-โปรตอน หรือแบบ วงจร CNO ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 16 ล้านองศา ปฏิกิริยาหลักจะเป็น แบบ โปรตอน-โปรตอน แต่สูงกว่า 16 ล้านองศาขึ้นไป ปฏิกิริยาหลักคือ แบบวงจร CNO ภาพจาก Physics Dept, University of Tennessee

สภาวะทั้ง ๕ นี้ เป็นปัจจัยที่กำหนดลักษณะทางกายภาพทั้งหมดของดวงดาว เช่น อุณหภูมิพื้นผิว ทำให้เราเห็นดวงดาวมีสีต่างๆกัน ทั้งอัตราการเผาผลาญพลังงาน และโครงสร้างการถ่ายเทพลังงาน ที่ทำให้ดวงดาวมีความสุกสว่างมากน้อยต่างกัน เป็นตัวกำหนดอายุขัยว่า ดาวจะตายเร็วหรือตายช้า และยังเป็นตัวกำหนดชะตาชีวิตของดวงดาวด้วยว่า จะตายอย่างสงบเงียบๆ หรือด้วยการระเบิด หากตายแบบโด่งดังด้วยการระเบิด ก็จะกำหนดด้วยว่า จะเป็นความดังธรรมดาๆ หรือดังแบบสะเทือนเลื่อนลั่น สั่นสะท้านไปทั่วจักรวาลหรือไม่ ดังจะกล่าวถึงการตาย โดยรายละเอียดในตอนต่อไป วิถีชีวิตของดวงดาวทั้งหมดนี้ เป็นผลมาจาก มวล ของดวงดาวเท่านั้น

(ภาพที่ ๔๐) โครงสร้างการถ่ายเทพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ จากภายในมาสู่พื้นผิวของดวงดาว ที่ต่างกันไปตามขนาด ดาวขนาดดวงอาทิตย์ จะใช้การแผ่รังสีในส่วนที่ติดกับแกนใน และใช้การพาในส่วนที่อยู่ใกล้กับพื้นผิว ในขณะที่ดาวที่มีมวลมาก จะมีโครงสร้างการถ่ายเทพลังงานตรงกันข้ามกับ ดาวขนาดดวงอาทิตย์ คือด้วย การพา ในส่วนติดแกน และ การแผ่รังสี ในส่วนที่เหลือ จนมาถึงพื้นผิวดาว

ข้ามไปอ่านหน้า [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]