Тройной альфа-процесс - Triple-alpha process

Обзор процесса тройного альфа
Логарифм относительного выхода энергии (ε) процессов протон-протонного (PP), CNO и Triple-α синтеза при различных температурах (T). Пунктирной линией показано совместное генерирование энергии процессами PP и CNO внутри звезды. При температуре ядра Солнца процесс полипропилена более эффективен.

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.

4
2
Он
+ 4
2
Он
8
4
Быть
 (-0,0918 МэВ)
8
4
Быть
+ 4
2
Он
12
6
C
+ 2
γ
 (+7,367 МэВ)

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:

12
6
C
+ 4
2
Он
16
8
О
+
γ
(+7,162 МэВ)

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:

  1. Время распада ядра 8 Be на четыре порядка больше, чем время рассеяния двух ядер 4 He (альфа-частиц).
  2. 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.
  3. 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.

использованная литература