Тройной альфа-процесс - Triple-alpha process
Процесс тройного альфа - это набор реакций ядерного синтеза, в результате которых три ядра гелия-4 ( альфа-частицы ) превращаются в углерод .
Тройной альфа-процесс в звездах
Гелий накапливается в ядрах звезд в результате протон-протонной цепной реакции и цикла углерод-азот-кислород .
В реакции ядерного синтеза двух ядер гелия-4 образуется бериллий-8 , который очень нестабилен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада8,19 × 10 -17 с , если в течение этого времени третья альфа-частица не сливается с ядром бериллия-8, создавая возбужденное резонансное состояние углерода-12 , называемое состоянием Хойла , которое почти всегда распадается обратно на три альфа-частицы, но один раз примерно в 2421,3 раза высвобождает энергию и превращается в стабильную основную форму углерода-12. Когда у звезды заканчивается водород для плавления в ее ядре, она начинает сжиматься и нагреваться. Если центральная температура повышается до 10 8 К, что в шесть раз горячее ядра Солнца, альфа-частицы могут сливаться достаточно быстро, чтобы преодолеть барьер бериллия-8 и произвести значительное количество стабильного углерода-12.
Чистое выделение энергии в процессе составляет 7,275 МэВ.
В качестве побочного эффекта процесса некоторые ядра углерода сливаются с дополнительным гелием с образованием стабильного изотопа кислорода и энергии:
В реакциях ядерного синтеза гелия с водородом образуется литий-5 , который также очень нестабилен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада3,7 × 10 −22 с .
Слияние с дополнительными ядрами гелия может создавать более тяжелые элементы в цепочке звездного нуклеосинтеза, известной как альфа-процесс , но эти реакции имеют значение только при более высоких температурах и давлениях, чем в ядрах, подвергающихся тройному альфа-процессу. Это создает ситуацию, в которой звездный нуклеосинтез производит большое количество углерода и кислорода, но лишь небольшая часть этих элементов превращается в неон и более тяжелые элементы. Кислород и углерод являются основными «золами» при горении гелия-4.
Первородный углерод
Процесс тройного альфа неэффективен при давлениях и температурах в начале Большого взрыва . Одним из следствий этого является то, что во время Большого взрыва не образовалось значительного количества углерода.
Резонансы
Обычно вероятность тройного альфа-процесса чрезвычайно мала. Однако основное состояние бериллия-8 почти точно соответствует энергии двух альфа-частиц. На втором этапе, 8 Be + 4 Он имеет почти точно энергию в возбужденном состоянии от 12 С . Этот резонанс значительно увеличивает вероятность того, что входящая альфа-частица соединится с бериллием-8 с образованием углерода. Существование этого резонанса было предсказано Фредом Хойлом до его фактического наблюдения на основании физической необходимости его существования для образования углерода в звездах. Предсказание, а затем открытие этого энергетического резонанса и процесса оказали очень существенную поддержку гипотезе Хойла о звездном нуклеосинтезе , согласно которой все химические элементы были первоначально образованы из водорода, истинной изначальной субстанции. Антропный принцип был процитирован объяснить тот факт , что ядерные резонансы чутко расположены , чтобы создать большое количество углерода и кислорода во Вселенной.
Нуклеосинтез тяжелых элементов
При дальнейшем повышении температуры и плотности в процессе синтеза образуются нуклиды только до никеля-56 (который позже распадается до железа ); более тяжелые элементы (помимо Ni) создаются в основном за счет захвата нейтронов. Медленный захват нейтронов, s-процесс , производит около половины элементов помимо железа. Другая половина образуется в результате быстрого захвата нейтронов, r-процесса , который, вероятно, происходит при сверхновых с коллапсом ядра и слиянии нейтронных звезд .
Скорость реакции и звездная эволюция
Шаги тройного альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного вещества. Мощность, выделяемая при реакции, приблизительно пропорциональна температуре в 40-й степени и квадрату плотности. Напротив, протон-протонная цепная реакция производит энергию со скоростью, пропорциональной четвертой степени температуры, цикл CNO - примерно с 17-й степенью температуры, и обе линейно пропорциональны плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздней стадии звездной эволюции, стадии красных гигантов .
Для звезд с меньшей массой на ветви красных гигантов гелий, накапливающийся в ядре, предотвращается от дальнейшего коллапса только давлением вырождения электронов . Все вырожденное ядро находится при одинаковой температуре и давлении, поэтому, когда его масса становится достаточно высокой, по всему ядру начинается термоядерный синтез через скорость тройного альфа-процесса. Ядро не может расширяться в ответ на увеличение производства энергии, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы снять вырождение. Как следствие, температура увеличивается, вызывая повышенную скорость реакции в цикле положительной обратной связи, который становится неуправляемой реакцией. Этот процесс, известный как гелиевая вспышка , длится несколько секунд, но сжигает 60–80% гелия в активной зоне. Во время вспышки ядра производство энергии звездой может достигать примерно 10 11 яркости Солнца, что сопоставимо со светимостью всей галактики , хотя на поверхности сразу не будет наблюдаться никаких эффектов, поскольку вся энергия используется для подъема ядра. дегенеративное до нормального, газообразного состояния. Поскольку ядро больше не является вырожденным, снова устанавливается гидростатическое равновесие, и звезда начинает «сжигать» гелий в своем ядре и водород в сферическом слое над ядром. Звезда входит в фазу устойчивого горения гелия, которая длится примерно 10% времени, которое она провела на главной последовательности (ожидается, что наше Солнце будет сжигать гелий в своем ядре в течение примерно миллиарда лет после гелиевой вспышки).
У более массивных звезд углерод собирается в ядре, вытесняя гелий в окружающую оболочку, где происходит горение гелия. В этой гелиевой оболочке давления ниже и масса не поддерживается электронным вырождением. Таким образом, в отличие от центра звезды, оболочка способна расширяться в ответ на повышенное тепловое давление в гелиевой оболочке. Расширение охлаждает этот слой и замедляет реакцию, заставляя звезду снова сжиматься. Этот процесс продолжается циклически, и звезды, подвергающиеся этому процессу, будут иметь периодически изменяющийся радиус и выработку энергии. Эти звезды также будут терять материал из своих внешних слоев, поскольку они расширяются и сжимаются.
Открытие
Процесс тройного альфа сильно зависит от углерода-12 и бериллия-8, имеющих резонансы с немного большей энергией, чем у гелия-4 . Основываясь на известных резонансах, к 1952 году казалось невозможным для обычных звезд производить углерод так же, как и любые более тяжелые элементы. Ядерный физик Уильям Альфред Фаулер отметил резонанс бериллия-8, а Эдвин Солпитер рассчитал скорость реакции для нуклеосинтеза Be-8, C-12 и O-16 с учетом этого резонанса. Однако Солпетер подсчитал, что красные гиганты сжигают гелий при температурах 2 · 10 8 К или выше, тогда как другие недавние исследования выдвинули гипотезу о температурах, равных 1,1 · 10 8 К для ядра красного гиганта.
В статье Солпитера мимоходом упоминалось о влиянии неизвестных резонансов в углероде-12 на его расчеты, но автор так и не развил их. Вместо этого астрофизик Фред Хойл в 1953 году использовал содержание углерода-12 во Вселенной в качестве доказательства существования резонанса углерода-12. Единственный способ, которым Хойл смог найти, что произведет изобилие как углерода, так и кислорода, был через тройной альфа-процесс с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ, что также устранило бы расхождения в расчетах Солпитера.
Хойл пошел в лабораторию Фаулера в Калифорнийском технологическом институте и сказал, что в ядре углерода-12 должен быть резонанс 7,68 МэВ. (Были сообщения о возбужденном состоянии около 7,5 МэВ.) Смелость Фреда Хойла при этом поразительна, и поначалу ядерные физики в лаборатории были настроены скептически. Наконец, молодой физик Уорд Уэйлинг , только что из Университета Райса , который искал проект, решил поискать резонанс. Фаулер разрешил китобойному промыслу использовать старый генератор Ван де Граафа, который не использовался. Хойл вернулся в Кембридж, когда несколько месяцев спустя лаборатория Фаулера обнаружила резонанс углерода-12 около 7,65 МэВ, подтвердив его предсказание. Физики-ядерщики назначили Хойла первым автором статьи, представленной Whaling на летнем собрании Американского физического общества . Вскоре последовало долгое и плодотворное сотрудничество между Хойлом и Фаулером, и Фаулер даже приехал в Кембридж.
Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Так как состояние Хойла предсказывалось как состояние 0+ или 2+, ожидалось, что будут видны электрон-позитронные пары или гамма-лучи . Однако, когда проводились эксперименты, канал реакции гамма-излучения не наблюдался, и это означало, что состояние должно быть состоянием 0+. Это состояние полностью подавляет однократное гамма-излучение, поскольку однократное гамма-излучение должно уносить не менее 1 единицы углового момента . Образование пар из возбужденного состояния 0+ возможно, потому что их объединенные спины (0) могут взаимодействовать с реакцией, имеющей изменение углового момента на 0.
Невероятность и тонкая настройка
Углерод - необходимый компонент всей известной жизни. 12 C, стабильный изотоп углерода, в большом количестве вырабатывается звездами благодаря трем факторам:
- Время распада ядра 8 Be на четыре порядка больше, чем время рассеяния двух ядер 4 He (альфа-частиц).
- Возбужденное состояние ядра 12 C существует немного (0,3193 МэВ) выше энергетического уровня 8 Be + 4 He. Это необходимо, потому что основное состояние 12 C на 7,3367 МэВ ниже энергии 8 Be + 4 He. Следовательно, ядро 8 Be и ядро 4 He не могут разумно слиться непосредственно с ядром 12 C в основном состоянии . Возбужденное состояние Хойла 12 C на 7,656 МэВ выше основного состояния 12 C. Это позволяет 8 Be и 4 He использовать кинетическую энергию их столкновения для слияния с возбужденным 12 C, который затем может перейти в свое стабильное основное состояние. . Согласно одному расчету, уровень энергии этого возбужденного состояния должен составлять примерно от 7,3 до 7,9 МэВ, чтобы произвести достаточно углерода для существования жизни, и должен быть дополнительно «настроен» на уровень от 7,596 МэВ до 7,716 МэВ, чтобы произвести обильный уровень 12 C наблюдается в природе.
- В реакции 12 C + 4 He → 16 O присутствует возбужденное состояние кислорода, которое, если бы оно было немного выше, обеспечило бы резонанс и ускорило реакцию. В этом случае в природе будет недостаточно углерода; почти все это превратилось бы в кислород.
Некоторые ученые утверждают, что резонанс Хойла 7,656 МэВ, в частности, вряд ли является результатом простой случайности. Фред Хойл утверждал в 1982 году, что резонанс Хойла был свидетельством «суперинтеллекта»; Леонард Сасскинд в «Космическом ландшафте» отвергает аргумент Хойла об разумном замысле . Вместо этого некоторые ученые считают, что разные вселенные, части огромной « мультивселенной », имеют разные фундаментальные константы: согласно этой спорной гипотезе тонкой настройки , жизнь может развиваться только в меньшинстве вселенных, где фундаментальные константы точно настроены. поддерживать существование жизни. Другие ученые отвергают гипотезу мультивселенной из-за отсутствия независимых доказательств.