Süpernova nükleosentezi

Süpernova nükleosentezi kuramı, süpernova patlamalarındaki farklı pek çok kimyasal elementin nasıl üretildiğini açıklamaya çalışır. İlk kez 1954 yılında Fred Hoyle tarafından geliştirilmiştir. Nükleosentez, diğer bir deyişle hafif elementlerin ağır elementlere ergimesi,  patlayıcı oksijenin yanması ya da silikonun yanması esnasında ortaya çıkar. Bu birleşme tepkimeleri, silikon, sülfür, klor, argon, sodyum, potasyum, kalsiyum, skandiyum, titanyumun yanı sıra, vanadyum, krom, manganez, demir, kobalt ve nikel gibi demir zirve elementlerinin oluşumuna yol açar.  Büyük yıldızlarda saf hidrojen ve helyumdan ergiyebildikleri için bunlara “primer elementler” denir. Süpernovalardan atılımları sonucu, yıldızlararası ortamda bollukları artar. Nikelden ağır elementler, r-süreci denen  bir süreçte nötronların hızlı bir biçimde tutulmasıyla ortaya çıkarlar. Ancak bunlar primer kimyasal elementlerden oldukça azdır. Yetersiz miktarda bulunan ağır elementlerin nükleosentezine yol açtığı düşünülen diğer süreçler, rp-süreci olarak bilinen proton yakalanması, ve gamma (ya da p) süreci olarak bilinen ışıl parçalanmadır. Işıl parçalanma, ağır elementlerin en hafif ve en nötron fakiri izotoplarını sentezler.

Nükleer ergime dizisi ve alfa süreci

Oksijen yakma sürecini tamamlamış olan bir yıldızın çekirdeği, esas olarak silikon ve sülfürden oluşur. Eğer yeterince büyük bir kütlesi varsa, çekirdeği 2.7–3.5 GK (230–300 keV) arasında bir sıcaklığa erişene kadar yıldız küçülür. Bu sıcaklıklarda, silikon ve diğer elementler, proton ve alfa parçacığı yayarak ışıl parçalanmaya maruz kalabilir. Silikon yanması ise, alfa sürecine yol açar. Alfa süreci, her bir aşamada bu alfa parçacıklarını(bir helyum çekirdeğine, iki proton ve iki nötrona denk olan) ekleyerek yeni elementler yaratırken, belirli bir diziyi takip eder.
Bütün silikon yanma süreci yaklaşık bir gün sürer ve nikel-56 üretildiğinde sona erer. Yıldız artık nükleer ergime yoluyla enerji açığa çıkaramaz; çünkü 56 parçacıklı bir çekirdek parçacığı, alfa süreci dizisinde yer alan elementlerin içinde nükleon başına en düşük kütleye sahiptir.  Demir-56’ya göre çekirdek parçacığı başına demir-56 ve nikel-62’nin biraz daha fazla bağlama enerjisi olsa da, alfa sürecindeki bir sonraki adım, parçacık başına biraz daha fazla kütlesi olan ve bu sebeple termodinamik açıdan daha az uygun olan çinko-60’tır. 28 protonu olan nikel-56’nın yarılanma süresi 6.02 gündür ve β+ bozunumu yoluyla kobalt-56’ya çözünür. 27 protonu bulunan kobalt-56’nın, 26 protonluk demir-56’ya çözünürken, yarılanma süresi 77.3 gündür. Ancak büyük bir yıldızın çekirdeğinde nikel-56’nın çözünmesi sadece dakikalar içinde gerçekleşir. Yıldız bu noktada artık nükleer yakıtını tüketmiştir ve dakikalar içinde küçülmeye başlar.
Bu küçülme sırasında, yerçekimsel küçülme potansiyel enerjisi, iç kısımı 5 GK (430 keV)’ye kadar ısıtır. Bu durum, küçülmeye karşı direnç oluşturarak, küçülmeyi geciktirir. Ancak, yeni füzyon tepkimeleri yoluyla ek bir ısı enerjisi üretilemediğinden, en sondaki direnç gösterilmeyen küçülme, çok hızlı bir biçimde, sadece birkaç saniye süren bir çöküşe  yol açar. Yıldızın merkez kısmı, ya bir nötron yıldızına, ya da yıldız yeterince büyük kütleli ise, bir kara deliğe dönüşür. Yıldızın dış tabakaları, günler ya da aylar süren Tip II süpernova olarak bilinen bir patlamada kopup gider. Süpernova patlaması, büyük bir nötron infilakına yol açar. Yıldızın içinde yaklaşık bir saniye içinde bu infilak, r-süreci olarak bilinen bir nötron tutma mekanizması aracılığıyla, evrende demirden daha ağır elementlerin kaynağının yaklaşık yarısını sentezler.

Ürünler

Normal bir yıldızda ergime yoluyla elde edilen bir elementin maksimum ağırlığı, demirin ağırlığı kadardır ve atomik kütlesi 56 olan bir izotopa ulaşmıştır (bkz. Yıldız Nükleosentezi). Bir süpernovadan önce, silikon ve demir arasındaki elementlerin ergimesi, sadece en büyük yıldızlarda silikon yanımı sürecinde ortaya çıkar. (S-süreci olarak da bilinen ve normal yıldız nükleosentezi esnasında meydana gelen yavaş nötron tutunumu süreci, atomik kütlesi yaklaşık 209 olan bizmuta kadar olan elementleri meydana getirebilir. Ancak, s-süreci esas olarak daha yavaş evrimleşen düşük kütleli yıldızlarda meydana gelir). Ne zaman ki çekirdek, gazların dış tabakasını desteklemeye yetecek miktarda enerjiyi üretemez hale gelir, yıldız bir süpernova olarak patlar ve patlarken demirin ötesinde elementler yığını oluşturur. Süpernova patlaması sırasında demirden uranyuma kadar elementlerin oluşumu, saniyeler içinde gerçekleşir. Açığa çıkan büyük miktarda enerji yüzünden, normal yıldız sıcaklığından çok daha büyük sıcaklık ve yoğunluklara erişilir. Bu koşullar, uranyum ötesi elementlerin oluşabileceği bir ortam yaratır.