നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ഊര്‍ജ്ജ ഉല്‌പാദനം - ഭാഗം രണ്ട്

കഴിഞ്ഞ പോസ്റ്റില്‍ നിന്നു Nuclear fusion, Nuclear fission എന്നിവ വഴി എങ്ങനെയാണ് ഊര്‍ജ്ജം ഉണ്ടാവുക എന്നു നമ്മള്‍ മനസ്സിലാക്കി. ഈ ലേഖനത്തില്‍ അണുസംയോജനപ്രക്രിയ (Nuclear fusion) വഴി നക്ഷത്രങ്ങള്‍ ഊര്‍ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന്റെ വിവിധ പ്രക്രിയകള്‍ പരിചയപ്പെടുത്തുന്നു. ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട പ്രക്രിയകളെ മാത്രമേ ഈ ലേഖനത്തില്‍ പരിചയപ്പെടുത്തുന്നുള്ളൂ. പിന്നീട് ഏതെങ്കിലും ലേഖനത്തില്‍ ആവശ്യം വരികയാണെങ്കില്‍ മറ്റുള്ള പ്രക്രിയകളേയും പരിചയപ്പെടുത്താം. നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ മാത്രമല്ല അണുസംയോജനം മൂലം ഉയര്‍ന്ന മൂലകങ്ങള്‍ ഉണ്ടായത്. മഹാസ്ഫോടന സിദ്ധാന്ത (Bigbang theory) പ്രകാരം പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ ആദിമ മണിക്കൂറുകളില്‍ അണുസംയോജനം മൂലം ലിത്തിയം വരെയുള്ള മൂലകങ്ങള്‍ ഉണ്ടായിട്ടുണ്ട്. അതിനെ കുറിച്ചുള്ള കൂടുതല്‍ വിവരങ്ങള്‍ ആദിമപ്രപഞ്ചത്തെ കുറിച്ചുള്ള പോസ്റ്റുകള്‍ ഇടുമ്പോള്‍ വിശദീകരിക്കാം. ഈ പോസ്റ്റില്‍ നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ അണുസംയോജനം വഴി ഉയര്‍ന്ന മൂലകങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകുന്നതും അതോടൊപ്പം ഊര്‍ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നതിനെ കുറിച്ചും പ്രദിപാദിക്കുന്നു.

നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ ഉള്ള ഹൈഡ്രജന്റെ ഭീമമായ അളവ് എങ്ങനെയാണ് ഹൈഡ്രജന്‍ മറ്റു ഉയര്‍ന്ന മൂലകങ്ങള്‍ ആയി മാറുന്നത് എന്നത് അന്വേഷിക്കാന്‍ ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാരെ പ്രേരിപ്പിച്ചു. ആദ്യം രാസപ്രക്രിയ (Chemical reaction), ഗുരുത്വസങ്കോചം (Gravitational contraction) ഒക്കെ ആണ് നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ഊര്‍ജ്ജത്തിനു പിന്നിലെന്നു കരുതിയിരുന്നത്. എന്നാല്‍ ഇപ്രകാരം കിട്ടുന്ന ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ അളവ് വളരെ കുറവാണ് എന്നതു പുതിയ സിദ്ധാന്തങ്ങള്‍ രൂപീകരിക്കാന്‍ ശാസ്ത്രജ്ഞരെ പ്രേരിപ്പിച്ചു. അങ്ങനെയാണ് അണുസംയോജനം എന്ന പ്രക്രിയ ആയിരിക്കാം നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ഊര്‍ജ്ജത്തിനു പിന്നിലെ ശക്തി എന്നുള്ള സിദ്ധാന്തത്തിലേക്കു വഴിതെളിച്ചത്. ഈ സിദ്ധാന്തം ശരിയാണെന്ന് പിന്നിടു പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ ശാസ്ത്രജ്ഞന്മാര്‍ ഉറപ്പാക്കുകയും ചെയ്തു. ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കള്‍ അണുസംയോജനം വഴി ഹീലിയം അണുവായി മാറുന്ന രണ്ട് പ്രക്രിയകള്‍ കൂടുതല്‍ ശ്രദ്ധ നേടി. അത് താഴെ പറയുന്നവ ആണ്.

1. Proton-Proton chain
2. CNO Cycle

ആദ്യത്തെ പ്രക്രിയ വഴി ആണ് സൂര്യനെ പോലുള്ള ലഘു നക്ഷത്രങ്ങള്‍ ഊര്‍ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്. രണ്ടാമത്തേത് കുറച്ചു കൂടി ഉയര്‍ന്ന താപനില ഉള്ള ഭീമന്‍ നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ നടക്കുന്നതാണ്. രണ്ട് പ്രക്രിയകളുടേയും അവസാനം കിട്ടുന്ന ആകമാന ഫലം ഒന്നാണ്. അതയത് 4 ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സംയോജിച്ച് ഒരു ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാകുന്നു. അതോടൊപ്പം വളരെ ചെറിയ അളവില്‍ ഉള്ള ദ്രവ്യം ഊര്‍ജ്ജം ആയി മാറുന്നു. അതോടൊപ്പം ന്യൂടിനോ പോലുള്ള കണികകളേയും പുറത്തു വിടുന്നു.

നമുക്ക് ഈ പ്രക്രിയകളുടെ വിശദാംശങ്ങളിലേക്ക് കടക്കാം.

1. Proton- Proton Chain

സൂര്യന്റെ ദ്രവ്യമാ‍നത്തോട് അടുത്ത നക്ഷത്രങ്ങള്‍ ആണ് ഇത്തരത്തില്‍ ഊര്‍ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്.ആര്‍തര്‍ എഡിങ്ങടണ്‍ എന്ന വിശ്രുത ശാസ്ത്രജ്ഞനാണ് Proton- Proton Chain വഴി ആണ് ലഘു നക്ഷത്രങ്ങള്‍ ഊര്‍ജ്ജ ഉല്പാദനം നടത്തുക എന്ന് സിദ്ധാന്തിച്ചത്. ജോര്‍Proton- Proton Chain-നു മൂന്നു ശാഖകള്‍ ഉണ്ട്.

ഇതിന്റെ പ്രാഥമിക ശാഖയ്ക്ക് PPI എന്നു പറയുന്നു. ഈ ശാഖ വഴിയാണ് സൂര്യന്റെ ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ 85%-നവും ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്. ഇതു മൂന്ന് പടികളായാണ് സംഭവിക്കുന്നത്.

¹H + ¹H ---------> ²H + e⁺ + ν_e -------------(1)
²H + ¹H ---------> ³He + γ -----------------(2)
³He + ³H ---------> ⁴He + 2¹H ------------ (3)

------------------------------------------------------
4¹H + ³H ---------> ⁴He + 2γ + 2e⁺ 2ν_e

മൂന്നാമത്തെ റിയാക്ഷന്‍ നടക്കണം എങ്കില്‍ ഒന്നാമത്തേയും രണ്ടാമത്തേയും റിയാക്ഷന്‍ രണ്ട് പ്രാവശ്യം നടക്കണം.

ഈ പ്രക്രിയയില്‍ ഒന്നാമത്തെ റിയാക്ഷനില്‍ 2 പ്രോട്ടോണുകള്‍ കൂടി ചേര്‍ന്നു ഒരു ഡ്യൂട്രോണ്‍ ഉണ്ടാവുന്നു. അതോടൊപ്പം ഒരു പോസിട്രോണും ഒരു ന്യൂട്രിനോയും ഉണ്ടാവുന്നു.

രണ്ടാമത്തെ റിയാക്ഷനില്‍ ഒന്നാമത്തെ റിയാക്ഷനില്‍ ഉണ്ടായ ഡ്യൂട്രോണ്‍ ഒരു പ്രോട്ടോണുമായി ചേര്‍ന്നു ഹീലിയത്തിന്റെ ഒരു ഐസോടോപ്പ് ആയ ³He ഉണ്ടാകുന്നു. അതോടൊപ്പം γ കിരണങ്ങളുടെ രൂപത്തില്‍ ഊര്‍ജ്ജ ഫോട്ടോണും ഉണ്ടാകുന്നു. മൂന്നാമത്തെ റിയാക്ഷനില്‍ രണ്ട് ³He അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സംയോജിച്ച് ഒരു ⁴He ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാകുന്നു. അതോടൊപ്പം 2 പ്രോട്ടോണുകളും പുറത്ത് വരുന്നു.

ഓരോ ³He അണുകേന്ദ്രവും ഉണ്ടാകുന്നത് മൂന്ന് ¹H അണുകേന്ദ്രങ്ങളില്‍ നിന്നാണ്. അതിനാല്‍ PPI പ്രക്രിയകളില്‍ മൊത്തം 6¹H അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ ഉപയോഗിച്ചാണ് ഒരു ⁴He അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാക്കുന്നത്. പക്ഷെ അവസാനം ഈ പ്രക്രിയയില്‍ രണ്ട് ¹H ഉണ്ടാവുന്നുണ്ട്. അതിനാല്‍ ഈ പ്രക്രിയയുടെ ആകമാന ഫലം 4 ഹൈഡ്രജന്‍ അണുക്കള്‍ സംയോജിച്ച് ഒരു ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടായി അതോടൊപ്പം ഊര്‍ജ്ജവും പുറത്തു വിടുന്നു എന്നാകുന്നു.

മുകളില്‍ പറഞ്ഞ പ്രക്രിയകളുടെ സംക്ഷിപ്തം ചിത്ര രൂപത്തില്‍.
ചിത്രത്തിനു കടപ്പാട്: http://www.csiro.au/

ഇപ്പോള്‍ നമ്മള്‍ മനസ്സിലാക്കിയ PPI എന്ന ശാഖ കൂടാതെ Proton- Proton Chain-നിനു PPII, PPIII എന്നിങ്ങനെ രണ്ട് തരം ശാഖകള്‍ കൂടി ഉണ്ട്. വിശദാംശങ്ങളിലേക്ക് പോകാതെ അതിനേയും താഴെ പരിചയപ്പെടുത്തുന്നു.

PPII ശാഖ

സൂര്യന്റെ ഊര്‍ജ്ജോല്പാദനത്തിന്റെ ഏതാണ്ട് 15% ശതമാനം വരുന്നത് ഈ ശാഖവഴിയാണ്. ഈ ശാഖയില്‍ താല്ക്കാലികമായി Beryllium (Be)-യും Lithium(Li)-യും നിര്‍മ്മിക്കപ്പെടുന്നു.

³He + ⁴He ---------> ⁷Be + γ
⁷Be + e^- ---------> ⁷Li + ν_e
⁷Li + ¹H ---------> ⁴He + ⁴He

PPIII ശാഖ

സൂര്യന്റെ ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ ഏതാണ്ട് 0.02 % നിര്‍മ്മിക്കപ്പെടുന്നത് ഈ പ്രക്രിയ വഴി ആണ്.
ഈ പ്രക്രിയയുടെ വിവിധ റിയാക്ഷനുകള്‍ താഴെ

³He + ⁴He ---------> ⁷Be + γ
³Be + ¹H ---------> ⁸B + γ

⁸B ---------> ⁸Be + ν_e + e^+
8Be --------->⁴He + ⁴He

PPII ശാഖയും PPIII ശാഖയും സൂര്യന്റെ തേജസ്സിലേക്ക് വളരെ ചെറിയ ഒരു ഘടകം മാത്രമേ സംഭാവന നല്‍കുന്നുള്ളൂ എങ്കിലും ഈ ശാഖ വളരെ പ്രധാനപ്പെട്ടതാണ്. കാരണം ഈ ശാഖകള്‍ വ്യത്യസ്ത ഊര്‍ജ്ജം ഉള്ള ന്യൂട്രിനോകളെ ഉണ്ടാക്കും. ഈ വ്യത്യസ്ത ഊര്‍ജ്ജം ഉള്ള ന്യൂട്രിണോകളാണ് നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ഊര്‍ജ്ജോല്പാദനത്തെകുറിച്ച് ഉള്ള തെളിവുകള്‍ തരുന്നത്. അതിന്റെ വിശാംശങ്ങളുമായി താമസിയാതെ വേറെ ഒരു പോസ്റ്റ് ഇടാം.

2. CNO Cycle

കാമ്പിലെ താപനില 16 X 10⁷ K യിലും അധികം ഉള്ള ഭീമന്‍ താരങ്ങളില്‍ ആണ് CNO Cycle വഴി ഊര്‍ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്. ഈ പ്രക്രിയയില്‍ കാര്‍ബണ്‍ ഒരു ഉത്പ്രേരകം ആയി വര്‍ത്തിക്കുന്നു. ഈ പ്രക്രിയ 1939-ല്‍ ഹാന്‍സ് ബെഥെ എന്ന വിശ്രുത ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ ആണ് കണ്ടെത്തിയത്. കാര്‍ബണ്‍ (C) അണുമര്‍മ്മം ഒരു പ്രോട്ടോണിനെ ആവാഹിച്ച് വിവിധ പ്രക്രിയകളുടെ അവസാനം ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാക്കുന്നു. ഈ പ്രകിയകളുടെ ഇടയ്ക്ക് നൈട്രജനും (N) ഓക്സിജനും (O) ഒക്കെ ഉണ്ടാവുന്നു. അതു കൊണ്ടു ഈ പ്രക്രിയയയെ CNO Cycle എന്നു പറയുന്നു. CNO Cycle -ലെ ആറു റിയാക്ഷനുകള്‍ താഴെ പറയുന്നവ ആണ്.

₆C¹² + ₁H¹ ---------> ₇N¹³ + γ

₇N¹³ ---------> ₆C¹³ + e⁺ + ν<sub>e

6</sub>C¹³ + ₁H¹ ---------> ₇N¹⁴ + γ
₇N¹⁴ + ₁H¹ ---------> ₈O¹⁵ + γ

₈O¹⁵ ---------> ₇N¹⁵ + e⁺ + ν<sub>e

7</sub>N¹⁵ + ₁H¹ ---------> ₆C¹² + ₂He⁴

മുകളിലെ പ്രക്രിയയുടെ ആകെ തുക ഇതാണ്. 4 ഹൈഡ്രജന്‍ അണുകേന്ദ്രങ്ങള്‍ സംയോജിച്ച് ഒരു ഹീലിയം അണുകേന്ദ്രം ഉണ്ടാകുന്നു. ഒപ്പം ഊര്‍ജ്ജവും ന്യൂട്രിനോകളും പുറത്തു വരുന്നു. ഈ പ്രക്രിയകളുടെ അവസാനം കാര്‍ബണ്‍ തിരിച്ചു കിട്ടുന്നു. അതിനാല്‍ അത് തുടര്‍ച്ചയായി ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.

CNO Cycle- ചിത്ര രൂപത്തില്‍.
ചിത്രത്തിനു കടപ്പാട്: വിക്കിപ്പീഡിയ

പക്ഷെ ഈ പ്രക്രിയ പ്രകാരം ഉല്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജ്ജം PP Chain -നില്‍ നിന്നു പുറത്തു വരുന്ന ഊര്‍ജ്ജത്തേക്കാള്‍ കുറച്ച് കുറവ് ആണ്. അതിനു കാരണം ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം ന്യൂട്രിനോകള്‍ കൊണ്ടു പോകുന്നു എന്നതാണ്.

മുകളില്‍ പരിചയപ്പെടുത്തിയതു കൂടാതെ Triple-alpha process തുടങ്ങി വേറെ പല പ്രക്രിയകളും ഉണ്ട്. പക്ഷെ അതൊക്കെ വളരെയധികം ഉന്നതമായ തപനിലയില്‍ വളരെ അത്യപൂര്‍വ്വമായി മാത്രം നടക്കുന്നതാണ്. അതിനാല്‍ അതിലേക്ക് നമ്മള്‍ കടക്കുന്നില്ല. ഈ പ്രക്രിയകളെ കുറിച്ച് കൂടുതല്‍ അറിയാന്‍ താല്‍‌പര്യം ഉള്ളവര്‍ വിക്കിയിലെ ഈ ലേഖനവും ലേഖനത്തിന്റെ വശത്ത് ഉള്ള വിവിധ അണുസംയോജന പ്രക്രിയകളുടെ ലിങ്കുകള്‍ പിന്തുടര്‍ന്നാല്‍ കിട്ടുന്ന ലേഖനങ്ങളും വായിക്കുക. അടുത്ത പോസ്റ്റില്‍ ന്യൂട്രിനോ എന്ന അടിസ്ഥാന കണികയെ പരിചയപ്പെടുത്താം.

സൂര്യനെ പോലുള്ള നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ Proton-proton chain reaction വഴിയാണ് അതിന്റെ ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ സിംഹഭാഗവും ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത്. വളരെ പ്രധാനപ്പെട്ട പ്രക്രിയകളെ മാത്രം പരിചയപ്പെടുത്തുക എന്നതായിരുന്നു ഈ പോസ്റ്റിന്റെ ഉദ്ദേശം. അതിനു സാധിച്ചു എന്നു കരുതട്ടെ.

ജ്യോതിശാസ്ത്ര ബ്ലോഗിലെ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ജീവചരിത്രം - ഭാഗം III- മുഖ്യധാരാ ദശഎന്ന പോസ്റ്റിനു അനുബന്ധമായി എങ്ങനെയാണ് നക്ഷത്രങ്ങള്‍ ഊര്‍ജ്ജം ഉല്പാദിപ്പിക്കുന്നത് എന്നു വിശദീകരിക്കുന്നതിനാണ്, ഈ ബ്ലോഗില്‍ കഴിഞ്ഞ രണ്ട് പോസ്റ്റ് ഇട്ടത്. അത് വിശദീകരിക്കുവാന്‍ കഴിഞ്ഞ രണ്ട് പോസ്റ്റുകള്‍ കൊണ്ടു കഴിഞ്ഞു എന്നു വിശ്വസിക്കട്ടെ.

നക്ഷത്രങ്ങളില്‍ ഏത് തരം അണുസംയോജനം ആണു നടക്കുന്നത് എന്നു മനഃസ്സില്ലാക്കാന്‍ നമ്മെ സഹയിക്കുന്നത് അതില്‍ നിന്നു വരുന്ന ന്യൂട്രിനോകള്‍ ആണ്. ഓരോ അണുസംയോജന പ്രക്രിയകളും പുറത്തു വിടുന്ന ന്യൂട്രിനോകളുടെ തരവും ഊര്‍ജ്ജവും വ്യത്യസ്ഥമാണ്. അപ്പോള്‍ ന്യൂട്രിനോകളെ പഠിച്ചാല്‍ നക്ഷ്ത്രത്തില്‍ നടക്കുന്ന അണുസംയോജന പ്രക്രിയകളെകുറിച്ച് നമുക്ക് മനഃസ്സിലാക്കാം. അടുത്ത പോസ്റ്റില്‍ ന്യൂട്രിനോ എന്ന അടിസ്ഥാന കണികയെ പരിചയപ്പെടുത്താം.