Kodėl Saulė neužgęsta, jei kosmose nėra deguonies?

Jei paklaustume, kaip vadinasi procesas, kuriam vykstant, išsiskiria šiluma ir (dažnai) šviesa, tikriausiai išgirstume atsakymą „degimas“. Tuos pačius produktus gauname ir iš Saulės, tad nieko keisto, kad procesus maga sulyginti. Tačiau šio gėrio radimosi priežastys – skirtingos.

Klausimas, į kurį formaliai galima atsakyti vienu sakiniu:

Degimas, kurį regime, vakarodami prie laužo, yra cheminė reakcija, vykstanti, malkas sudarantiems anglies ir vandenilio junginius oksiduojantis atmosferos deguonimi, o štai dieną kelią nušvietusi ir kaitra žygeivius varginusi Saulės energija randasi iš fizikinių, konkrečiai – termobranduolinių, reakcijų.

Toks būtų atsakymas vienu sakiniu.

Bet šiame klausime telpa didelė mūsų žinių ir supratimo apie visatą dalis. Taigi, jei vieno sakinio pažvanginimo negana, išnarpliokime kelis svarbiausius aspektus:

Kas yra degimas ir kodėl jis vyksta? Kas yra Saulė ir kodėl ji šviečia? Kas yra deguonis ir iš kur jis atsirado?

Kas yra degimas ir kodėl jis vyksta?

Degimu paprastai vadinama oksidacijos reakcija*, tokį degimą čia ir apžvelgsime.

Kaip jau minėta, degimas yra cheminė reakcija, tad jai galioja tokios pat taisyklės, kaip ir kitoms cheminėms reakcijoms. Kad vyktų degimas, reikia kuro, oksidatoriaus ir energijos. Jei vykstant reakcijai, energija išsiskiria daugiau, nei reikia jos palaikymui (egzoterminė reakcija), kartą prasidėjusi, toliau ji vyksta savaime.

*Tiksliau, oksidacijos – redukcijos, redokso reakcija. Tai cheminė reakcija, kurios metu keičiasi reagentų (oksidatoriaus ir reduktoriaus) oksidacijos laipsniai. Oksidatoriai redukuojasi, o reduktoriai – oksiduojasi.

N. B.: Norint žinoti, kur redokso reakcijų metu keliauja elektronai, verta atsiminti operą. Nes taip lengviau atsiminti, kad Oksidatoriai Pasiima Elektronus, Reduktoriai Atiduoda.

Reakcija vyksta, nes oksidatoriaus (dažniausiai deguonies) išoriniame elektronų sluoksnyje iki visiško sluoksnio elektronų „trūksta“ (deguonies atveju 2), o reduktoriaus išoriniame elektronų sluoksnyje jų „per daug“. Anglies degimo atveju, ji neprieštarauja deguoniui perleisti 4 elektronus. Todėl galutinio produkto – anglies dioksido – formulė yra CO₂, t.y. vienas anglies atomas paskolina 4 elektronus, kuriuos priglobia du deguonies atomai.

Ir kas iš to? Ogi tas, kad tokia elektronų konfigūracija energetiniu požiūriu yra naudingesnė, ir energijos skirtumas tarp šių būsenų išsiskiria kaip jau minėta šviesa ir šiluma. Grynos anglies atveju, sudeginus (deguonyje) jos vieną kilogramą, išsiskiria 32,8 MJ energijos. Tiek energijos 1 kW galios lygintuvas sunaudoja per ~9 valandas. Jei degintume vandenilį, sudeginę vieną jo kilogramą, gautume net 142 MJ energijos ir minėtą lygintuvą galėtume stumdyti ilgiau nei pusantros paros.

Kas yra Saulė ir kodėl ji šviečia?

Saulė yra vidutinė, G tipo, pagrindinės sekos žvaigždė, įsitaisiusi Hertzprungo – Russello diagramos centre. Nuo jos paviršiaus šviesa ir šiluma, t.y., tiksliau tariant, visos elektromagnetinės bangos – o jų saulelė, kitaip nei laužas, skleidžia ne tik daug daugiau, bet ir daug įvairesnių, – atskrieja per ~8 minutes, per tą laiką įveikdama vieną astronominį vienetą ~150 000 000 km. Bet visa Saulės energija išsiskiria ne paviršiuje, kaip degant malkoms, o branduolyje.

Saulė daug didesnė už Žemę – jos skersmuo 109 kartus didesnis, o ir masė sudaro 99,86% visos mūsų planetų sistemos masės – ir sudaryta iš dujų (¾ vandenilis, kita dalis helis ir dar sunkesni elementai), tai slėgis jos branduolyje milžiniškas, o ir temperatūra siekia milijonus laipsnių. Tokiomis sąlygomis pradeda vykti nebe cheminės, o branduolinės reakcijos, tai yra tokios, kuriose dalyvauja nebe elektronai (tokiame karštyje elektronai nuo branduolių nuplėšiami ir medžiaga virsta plazma), o atomų branduoliai.

„Branduolinės reakcijos“ skamba grėsmingai, ypač minint 70-asias branduolinio ginklo panaudojimo metines. Tačiau žvaigždžių gelmėse vyksta ne sunkiųjų elementų branduolių skilimo reakcijos, kaip bombose ir pastatytuose ar gamtos sukurtuose atominiuose reaktoriuose, kai lieka skilimo produktai, nerimą keliantys dar ne vieną tūkstantmetį. Ten vyksta termobranduolinės sintezės reakcijos, kai iš paprastesnių elementų sukuriami vis sunkesni. Tiesą sakant, išsisklaidžius Didžiojo sprogimo dūmams, mūsų visatos periodinėje elementų sistemoje tebuvo 3 lengviausi elementai – vandenilis, (branduolį sudaro 1 protonas), helis, (branduolyje 2 protonai ir 2 neutronai), bei dar šiek tiek ličio dėl šventos ramybės (branduolyje 3 protonai ir 3 neutronai). Visi kiti elementai buvo susintetinti – ir tebesintetinami – žvaigždėse.

Lengviausiai žvaigždėse vyksta ir daugiausiai energijos išskiria vandenilio virtimo heliu reakcija, kai iš keturių vandenilio branduolių – protonų – gaunamas vienas helio branduolys.

Bet juk protonų sulipdymui oho kiek jėgų reikia – jie gi vienodo krūvio ir stumia vienas kitą kaip įmanydami! Pradžioje darbą atliko gravitacija, suspaudusi pirminius vandenilio debesis į kamuolius – pirmos kartos žvaigždes. Spaudžiamos dujos kaista, o kaitinamos – plečiasi. Galima tikėtis, kad galiausiai nusistovėtų pusiausvyra ir tuo visatos raidos istorija baigtųsi. Bet esame liudininkai, kad taip nėra ir elementų periodinėje lentelėje pulkai. Kyla klausimas, iš kur energija viso to gėrio sukūrimui?

Jei pasvertume žvaigždžių branduolių žaizdruose sunaudotą vandenilį ir gautą helį, pamatytume, kad gautas helis sveria 0,7% mažiau, nei sunaudotas vandenilis – iš vieno kilogramo vandenilio gautume 993 gramus helio. Atrodo smulkmena. Bet čia priėjo Einšteinas ir tarė: E=mc². Na, tarė jis kiek kitaip, tačiau mūsų nagrinėjamam atvejui toks pasakymas tinka. Taigi, žiūrime, ką gauname iš 7 gramų skirtumo – 0,07 kg·(3·10⁸m/s)²=6,3·10¹⁵ J. Tokio energijos kiekio mūsų pavyzdiniam lygintuvui pakaktų beveik 200 milijonų metų. Garantinis aptarnavimas jau būtų pasibaigęs…

Kas yra deguonis ir iš kur jis atsirado?

Kaip ir visose reakcijose – cheminės, termobranduolinės, – lieka reakcijos produktai. Lauže naudojamas deguonis ir malkos, o gaunama šviesa, šiluma, pelenai (ir geri prisiminimai). Žvaigždžių branduoliuose vykstančių reakcijų produktai yra dar naudingesni – be šviesos ir šilumos (kurių, kaip matėme, išsiskiria nepalyginamai daugiau, nei lauže) dar lieka ir „pelenai“ – sunkesni elementai. Jei pradinė žvaigždė pakankamai sunki (ne, mūsiškė Saulė tokia nėra), tai sudegus vandeniliui, ima degti helis, deguonis, azotas, anglis, neonas… Žodžiu, taip susidaro sunkesnieji elementai, taip pat ir lauže besijungiantys anglies ir deguonies atomai. Tolesnės reakcijos vyksta vis sunkesnėmis sąlygomis – reikia vis didesnio slėgio ir aukštesnės temperatūros – ir jos išskiria vis mažiau energijos. Taip vyksta, kol pasiekiama geležinė riba, už kurios elementų kūrimui reikalinga energija tampa didesnė už reakcijos metu išsiskiriančią. Geležine ši riba vadinama ne veltui, nes paskutinis elementas, gaunamas „įprastu“ būdu, yra geležis – ⁵⁶Fe. Visi sunkesni elementai susikuria kitu būdu – žvaigždėms sprogstant novomis, supernovomis ir panašiai. Sprogimai nuplėšia viršutinius sluoksnius, kuriuose būna reakcijų produktai, t.y. visi elementai, iš kurių susidaro naujos kartos žvaigždės ir planetų sistemos su visais jų gyventojais, kurie kartais susėda prie laužo ir žvelgdami į dangų, jaučiasi visatos dalimi.