תהליכי מיזוג אחראים לשכיחותם הגדלה והמתחדשת של יסודות ביקום כולו, אך בנוסף להם ישנם תהליכים טבעיים מינוריים יותר הממשיכים ביצירת כמויות קטנות של נוקלידים חדשים המופיעים על-פני כדור-הארץ וכוכבי לכת אחרים. נוקלידים אלה תורמים אמנם בצורה מזערית לתפוצתם של גרעינים קיימים, אך הם כוללים גם גרעינים ייחודיים חדשים לגמרי. נוקלידים אלה נוצרים כתוצאה מתהליכי פליטה גרעיניים (התפרקות גרעינית) דוגמת אורניום ותוריום. נוקלידים אחרים, נדירים וקצרי-חיים, נוצרים מיסודות הקיימים על-פני כדור-הארץ כתוצאה מפגיעתן של קרניים-קוסמיות, ומכונים נוקלידים קוסמוגניים.
התהוות גרעיני היסודות על ציר הזמן.
הדעה הרווחת בקרב פיזיקאים היא כי הנוקליאונים הבראשיתיים נבראו מפלזמת קווארק-גלואון במהלכו של המפץ הגדול, בעת שזה התקרר אל מתחת לשני מיליארד מעלות. מספר דקות לאחר מכן, כאשר הרכב היקום בשלב זה כלל פרוטונים ונייטרונים בלבד, נוצרו הגרעינים הקלים עד ליתיום ובריליום (שניהם בעלי מספר מסה 7), עם שכיחות קטנה והולכת בצורה חדה של יסודות אחרים, ככל שגדלה מסתם האטומית. היווצרותם של גרעיני בור בשלב זה הייתה אולי אפשרית, אך תהליך זה פסק בטרם יכול היה להיווצר פחמן במידה מספקת, שכן יצירת פחמן דורשת תנאים של צפיפות גבוהה בהרבה של הליום, ופרק זמן ממושך יותר משהיה זמין במהלך התרחשותה של הנוקליאוסינתזה של המפץ הגדול. תהליך מיזוג זה חדל למעשה להתקיים כעבור כ-20 דקות מתחילת המפץ, בשל ירידת הטמפרטורה והצפיפות עם התפשטותו הנמשכת של היקום. תהליך בראשיתי זה, המכונה נוקליאוסינתזה של המפץ הגדול, הוא למעשה המנגנון הראשון של יצירת-נוקליאונים (nucleogenesis) חדשים שהופיע ביקום.
המנגנון הבא של סינתזת-נוקליאונים, בו נבראו יסודות כבדים יותר, מחייב תנאים של טמפרטורות ולחצים קיצוניים מאוד, דוגמת אלה השוררים בכוכבים ובסופרנובות. תהליכים אלה החלו כאשר מימן והליום שמקורם במפץ הגדול יצרו ריכוזים שהתגבשו תחת הכבידה העצמית של עצמם, ובהדרגה בנו את הכוכבים הראשונים אשר הופיעו כעבור כ-500 מיליון שנה. כוכבים ממשיכים להיווצר בגלקסיות השונות מאז, באופן רציף ומתחדש. לדוגמה, היסודות המצויים בכדור-הארץ, המכונים יסודות בראשיתיים, נוצרו עוד בטרם התהווה כדור-הארץ, באמצעות מנגנונים הקרויים נוקליאוסינתזה כוכבית ונוקליאוסינתזה של סופרנובה. מספרם האטומי של יסודות אלה נע מ-Z=6 (פחמן) ועד Z=64. יסודות אלה התהוו בשתי דרכים אפשריות. האחת, היא תהליך של מיזוג גרעיני (הכולל גם את תהליכי לכידה מהירה ולכידה איטית של כמה נייטרונים), והשנייה, במידה פחותה יותר, באמצעות תהליך דו-שלבי של ביקוע גרעיני ודעיכת בטא.
יסודות כבדים יותר מופיעים בכוכבים בדרך של מיזוג של גרעינים קלים יותר המצויים בו, כמו מימן, דאוטריום (איזוטופ של מימן), בריליום, ליתיום ובור, שהיו בתפוצתם הראשונית מאז נבראו במפץ הגדול, והיוו מרכיבים ראשוניים של הכוכבים הקדמוניים. מסיבה זו, תפוצתם של יסודות קלים אלה בגז הבין-כוכבי יורדת, שכן מוצאם הוא בשלב בריאתם במהלך המפץ הגדול. לכן, הדעה המקובלת היא כי הימצאותם של כמויות גדולות יותר של גרעינים קלים אלה ביקום המוכר היום והתחדשותם הן תוצאה של מיליארדי שנים שבהן הביאו קרניים קוסמיות (בעיקר פרוטונים אנרגטיים ביותר) לביקועם של גרעיני היסודות הכבדים בגז ובאבק הבין-כוכבי, וליצירתם של גרעיני-בת קלים נוספים.
תולדותיה של תאוריית הנוקליאוסינתזה.
הרעיונות הראשונים שקדמו לרעיון של נוקליאוסינתזה (הרכבת-גרעינים) התבטאו בתפיסה בסיסית פשוטה שלפיה היסודות הכימיים נבראו בראשית היקום כמות שהם, מבלי שתהיה לכך הצדקה פיזיקלית כלשהי המבססת זאת. עם הזמן התברר כי תפוצתם של מימן והליום גדולה בהרבה בהשוואה לשאר היסודות הכבדים יותר. כל היסודות מעבר למימן והליום, מהווים יחד פחות מ-2% ממסת מערכת השמש. אז גם התברר כי חמצן ופחמן הם השכיחים ביותר אחרי מימן והליום, ובאופן כללי שכיחותם של יסודות קלים, בייחוד אלה המורכבים מכפולות שלמות של גרעיני הליום-4, גבוהה יותר ככל שקטן מספר המסה.
ב-1920 הציע לראשונה האסטרונום הבריטי ארתור סטנלי אדינגטון, כי האנרגיה של כוכבים מקורה בתהליכי מיזוג מימן היוצרים הליום. רעיון זה לא התקבל אז על כולם, מאחר שהמנגנון הגרעיני טרם היה ידוע. בשנים שקדמו ממש למלחמת העולם השנייה, הצליח הפיזיקאי הנס בתה להבהיר לראשונה את המנגנונים הגרעיניים באמצעותם מימן מתמזג להליום. עם זאת, עבודות ראשונות אלה, שעסקו במקור הספק האנרגיה של כוכבים, עדיין לא יכלו להסביר מאין נובעים יסודות כבדים יותר מהליום.
עבודתו המקורית של פרד הויל על נוקליאוסינתזה של יסודות כבדים יותר בכוכבים, פורסמה סמוך לתום מלחמת העולם השנייה, והסבירה את אופן ייצורם של יסודות כבדים יותר, מעבר למימן. בין היתר, הציע הויל כי מימן נברא בהתמדה ביקום מריק ומאנרגיה, גם מבלי להזדקק למקור התחלתי אוניברסלי (המפץ הגדול).
עבודתו זו של הויל הסבירה כיצד גדלה עם הזמן תפוצתם של יסודות ככל שמתבגרת גלקסיה, ובעקבותיה התרחבה תפיסתו הבסיסית של הויל במהלך שנות ה-60 באמצעות עבודותיהם של ויליאם א' פוֹלֶר, אלאסטייר ג' ר' קמרון ודונלד ד' קלייטון, ואחרים. מאמר הסקירה (review) המקיף והיצירתי של מרגרט ברבידג', ג'פרי ברבידג', פולר והויל מ-1957 (להלן מאמר B2FH), מהווה סיכום עדכני ידוע בתחום זה. מאמר זה דן גם בתהליכים, אשר תוארו בו לראשונה, בהם ביקוע של גרעין כבד לגרעיני-בת בתוככי כוכבים, תהליכים שתועדו באמצעות תצפיות אסטרונומיות.
רעיון המפץ הגדול עצמו הוצע הרבה לפני הויל, כבר ב-1931, על ידי ז'ורז' למאטייה, פיזיקאי בלגי וכומר קתולי, אשר הציע כי התמונה הברורה של התפשטות היקום עם הזמן, חייבת להתבטא ביקום מצטמצם והולך ככל שמסתכלים אחורה בזמן, עד שאינו יכול להתכווץ יותר. משמעות הדבר היא כי מסת היקום כולו התרכזה בעבר בנקודה אחת, 'אטום היולי', מצב אשר לפניו לא היו קיימים זמן ומרחב. הויל כינה מאוחר יותר את המודל של למאטייה בשם מפץ גדול, בטרם גילה את הפוטנציאל הגלום במודל של למאטייה מבחינת הסבר קיומם של דאוטריום ושל נוקלידים המצויים בין הליום לפחמן, וכן את קיומו של הליום בכל מקום ביקום בתפוצה גדולה, לא רק בכוכבים עצמם אלא גם בגז הבין-כוכבי. שני המודלים של נוקליאוסינתזה, זה של למאטייה וזה של הויל, היוו את הבסיס הנחוץ להסבר מידת שכיחותם של היסודות ביקום, וההבדלים ביניהם.
מטרת פיתוחן של תאוריות נוקליאוסינתזה היא להבין מאין נובעים ההבדלים הגדולים בין שכיחויותיהם של יסודות שונים ושל האיזוטופים שלהם, מנקודת-מבט של תהליכים פיזיקליים טבעיים. התפתחותה של תאוריה זו הונעה בעיקר מצורת הגרף המתאר את שכיחות היסודות בתלות במספר האטומי שלהם. הגרף (ראו איור להלן) המתאר שכיחויות אלה כפונקציה של המספר האטומי, הוא במבנה של שיני-מסור משוננות ומתאר הבדלי המשתנה עד פי עשרה מיליון.
תהליכים.
ישנם כמה תהליכים אסטרופיזיקליים האחראים, כך נראה, להתרכבות גרעינים. רוב תהליכים אלה מתרחש בקליפות (shells) המרכיבות את פנים הכוכבים, ושרשרת תהליכי המיזוג הגרעיניים ידועים כ'שריפת' מימן (שרשרת פרוטון-פרוטון או מעגל CNO), שריפת הליום, שריפת פחמן, שריפת ניאון, שריפת חמצן ושריפת צורן. תהליכים אלה יכולים ליצור יסודות עד וכולל ברזל וניקל. זהו המרחב הנוקליאוסינתטי בו נוצרים האיזוטופים להם אנרגיית הקשר לנוקליאון הגבוהה ביותר. יסודות כבדים יותר יכולים להתרכב בתוכם של כוכבים באמצעות תהליך לכידת נייטרון, הידוע כתהליך S, או בסביבות של התפוצצות, דוגמת סופרנובה, באמצעות מספר תהליכים אחרים. תהליכים נוספים אלה כוללים את תהליך R, המערב לכידות מהירות של נייטרונים, תהליך RP, ותהליך P (הידוע לעיתים כתהליך גמא), בו קורה פוטודיזאינטרגציה (פירוק באמצעות אור, photodisintegration) של גרעינים קיימים.
טיפוסים עיקריים של נוקליאוסינתזה.
נוקליאוסינתזה של המפץ הגדול.
תהליכי נוקליאוסינתזה של המפץ הגדול התרחשו במהלכן של שלוש הדקות הראשונות של ראשית היקום, והיא אחראית לשכיחותם של 1H (המכונה פרוטיום) ו-2H (דאוטריום, D), ושל 3He (הליום-3) ו-4He (הליום-4), ביקום. על אף ש-4He ממשיך להיווצר באמצעות מיזוג בכוכבים ועל ידי דעיכות אלפא, וכמויות קטנות של 1H ממשיכות להתקבל על ידי התזה על ידי קרניים קוסמיות (ראו להלן) וסוגים מסוימים של דעיכה רדיואקטיבית, רובה של מסת האיזוטופים ביקום נוצרה, כך סבורים, במפץ הגדול. גרעיניהם של יסודות אלה, יחד עם כמה מ-7Li ו-7Be, נוצרו במהלך 100 עד 300 שניות לאחר המפץ הגדול, כאשר פלזמת קווארק-גלואון הבראשיתית התגבשה ויצרה פרוטונים ונייטרונים. בשל פרק הזמן הקצר עד מאוד בו התרחשה נוקליאוסינתזה, בטרם פסקה כתוצאה מהתפשטות היקום והתקררותו (כ-20 דקות), לא יכלו היו להיווצר יסודות כבדים מבריליום (או, אולי, בור). יסודות שהתהוו בפרק זמן זה היו במצב של פלזמה, ולא התקררו למצב של אטומים נייטרליים, עד מאוחר הרבה יותר.
נוקליאוסינתזה כוכבית.