ดาวฤกษ์ผลิตพลังงานได้อย่างไร

ก่อนศตวรรษที่ 20 ไม่มีใครรู้ว่าดวงอาทิตย์ส่องแสงได้อย่างไรนานหลายพันล้านปี ถ้าดวงอาทิตย์เป็นถ่านหินที่ลุกไหม้ จะหมดไปภายในไม่กี่พันปี ถ้าได้พลังงานจากการหดตัวช้า ๆ ก็จะอยู่ได้เพียงหลายสิบล้านปี ซึ่งสั้นกว่าอายุของหินและซากดึกดำบรรพ์บนโลกมาก

คำตอบคือนิวเคลียร์ฟิวชัน

ในปี ค.ศ. 1920 อาร์เทอร์ เอดดิงตัน เสนอว่าดาวฤกษ์อาจได้พลังงานจากการรวมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม เพราะฮีเลียมหนึ่งอะตอมมีมวลน้อยกว่าไฮโดรเจนสี่อะตอมรวมกันราว 0.7% มวลที่หายไปนั้นกลายเป็นพลังงานตามสมการ E = mc² ของไอน์สไตน์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1939 ฮันส์ เบเธ คำนวณรายละเอียดของปฏิกิริยาเหล่านี้ และได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1967

ในแกนดวงอาทิตย์

แกนดวงอาทิตย์ร้อนราว 15 ล้านเคลวิน และหนาแน่นกว่าตะกั่วมาก นิวเคลียสไฮโดรเจน (โปรตอน) มีประจุบวกและผลักกัน ตามฟิสิกส์แบบเดิมแล้วความร้อนระดับนี้ยังไม่พอให้มันเข้าใกล้กันจนหลอมรวมได้ แต่ผลทางควอนตัมที่เรียกว่าการทะลุผ่าน ทำให้บางคู่หลอมรวมกันได้ ปฏิกิริยาหลักในดวงอาทิตย์เรียกว่าลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน ส่วนดาวที่มีมวลมากกว่าและร้อนกว่าใช้วัฏจักร CNO ที่มีคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนเป็นตัวช่วย

ทุกวินาที ดวงอาทิตย์หลอมไฮโดรเจนราว 600 ล้านตันเป็นฮีเลียม และสูญเสียมวลราว 4 ล้านตันกลายเป็นพลังงาน ฟังดูมาก แต่ดวงอาทิตย์มีเชื้อเพลิงพอใช้ได้รวมราว 10,000 ล้านปี

สมดุลที่ทำให้ดาวอยู่ได้

ดาวฤกษ์อยู่ได้เพราะสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงที่บีบดาวเข้าหาศูนย์กลาง กับความดันจากความร้อนที่ดันออก ถ้าปฏิกิริยาเร็วขึ้น ดาวจะขยายตัวและเย็นลงเล็กน้อย ปฏิกิริยาจึงช้าลงเอง ระบบนี้ควบคุมตัวเองได้ ดาวฤกษ์จึงส่องแสงคงที่ได้นานมาก

หลักฐานจากนิวทริโน

ปฏิกิริยาฟิวชันปล่อยอนุภาคนิวทริโนจำนวนมหาศาล ซึ่งทะลุดวงอาทิตย์ออกมาได้ในทันที มีนิวทริโนจากดวงอาทิตย์ผ่านปลายนิ้วของเราราวหลายหมื่นล้านอนุภาคทุกวินาที การตรวจจับนิวทริโนเหล่านี้ได้จริงเป็นหลักฐานโดยตรงว่าฟิวชันเกิดขึ้นในแกนดวงอาทิตย์ และนำไปสู่ปริศนานิวทริโนจากดวงอาทิตย์