Войти
Обзор процесса тройного альфа. 
Логарифм относительного выхода энергии (ε) протон-протон (PP), CNO и Процессы синтеза тройного α при разных температурах. Пунктирной линией показано совместное генерирование энергии процессами PP и CNO внутри звезды. При температуре ядра Солнца процесс полипропилена более эффективен. процесс тройного альфа представляет собой набор реакций ядерного синтеза, посредством которых три гелий-4 ядер (альфа-частицы ) превращаются в углерод.
Гелий накапливается в ядра звезд в результате протон-протонной цепной реакции и цикла углерод-азот-кислород.
Реакция ядерного синтеза двух ядер гелия-4 дает бериллий-8, который очень нестабилен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада 8,19 × 10 с, если в течение этого времени третья альфа-частица не сливается с ядром бериллия-8, чтобы произвести возбужденное резонанс состояние углерода-12, вызов Это состояние Хойла, которое почти всегда распадается обратно на три альфа-частицы, но примерно раз в 2421,3 раза выделяет 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 К, что в шесть раз выше, чем ядро 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:
Реакция ядерного синтеза гелия с водородом дает литий-5, который также очень нестабилен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада 3,7 × 10 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, проходящих тройной альфа-процесс. 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.
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.
Обычно вероятность тройного альфа-процесса чрезвычайно мала. Однако основное состояние бериллия-8 почти точно соответствует энергии двух альфа-частиц. На втором этапе Be + He имеет почти точно энергию возбужденного состояния C. Этот резонанс значительно увеличивает вероятность того, что входящая альфа-частица соединится с бериллием-8 с образованием углерода. Существование этого резонанса было предсказано Фредом Хойлом еще до его фактического наблюдения, исходя из 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, которая постулировала, что все химические элементы были первоначально образованы из водорода, истинного изначального вещества. антропный принцип был процитирован для объяснения того факта, что ядерные резонансы чувствительны к созданию большого количества углерода и кислорода во Вселенной.
При дальнейшем повышении температуры и плотности в процессе синтеза образуются нуклиды только до никель-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, имеет место в сверхновых с коллапсом ядра и слияниях нейтронных звезд.
Шаги тройного альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного материала. Мощность, выделяемая в результате 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 оба являются линейными пропорционально плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздней стадии звездной эволюции, стадии красного гиганта.
Для звезд меньшей массы на ветви красных гигантов гелий, накапливающийся в ядре, предотвращается от дальнейшего коллапса только за счет давления вырождения электронов. Все вырожденное ядро находится при одинаковых температуре и давлении, поэтому, когда его масса становится достаточно высокой, по всему ядру начинается термоядерный синтез через тройную альфа-скорость 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 основной вспышки производство энергии звездой может достигать примерно 10 солнечной светимости, что сопоставимо со светимостью всей галактики, хотя на поверхности сразу не будет наблюдаться никаких эффектов, поскольку вся энергия используется для подъема активной зоны из вырожденного состояния в нормальное, газообразное. 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 около 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).
Для звезд с большей массой углерод собирается в ядре, вытесняя гелий в окружающую оболочку, где происходит горение гелия. В этой гелиевой оболочке давление 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 по мере того, как они расширяются и сжимаются.
Тройной альфа-процесс сильно зависит от углерода-12 и бериллий-8 имеет резонансы с немного большей энергией, чем гелий-4, и до 1952 года такие уровни энергии для углерода не были известны. Астрофизик Фред Хойл использовал тот факт, что углерод-12 широко распространен во Вселенной, как доказательство существования резонанса углерода-12. Единственный способ, которым Хойл смог найти достаточное количество углерода и кислорода, - это тройной альфа-процесс с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ.
Хойл обратился к физику-ядерщику Уильяму Альфреду Фаулеру в Калифорнийском технологическом институте и заявили, 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, 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 его предсказание подтвердилось. 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. К 1952 году Фаулер заметил резонанс бериллия-8, и Эдвин Солпитер рассчитал скорость реакции с учетом этого резонанса.
Это помогло объяснить скорость процесса, но скорость рассчитанные Солпитером, казались слишком низкими при температурах, ожидаемых в сверхновых. Когда лаборатория Фаулера обнаружила резонанс углерода-12 около 7,65 МэВ, это устранило расхождение между ядерной теорией и теорией звездной эволюции.
Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Поскольку состояние Хойла было предсказано как состояние 0+ или 2+, ожидалось, что будут видны электрон-позитронные пары или гамма-лучи. Однако при проведении экспериментов 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 по крайней мере 1 единицу 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.
Углерод - необходимый компонент всей известной жизни. C, стабильный изотоп углерода, в большом количестве продуцируется в звездах благодаря трем факторам:
Некоторые ученые утверждают, что резонанс Хойла 7,656 МэВ, в частности, вряд ли был результатом простой случайности. Фред Хойл утверждал в 1982 году, что резонанс Хойла был доказательством «суперинтеллекта»; Леонард Сасскинд в Космический ландшафт отвергает разумный замысел Хойла аргумент. Вместо этого некоторые ученые полагают, что разные вселенные, части огромной «мультивселенной », имеют разные фундаментальные константы: согласно этой противоречивой гипотезе точной настройки, жизнь может развиваться только в меньшинстве. вселенных, где фундаментальные константы точно настроены для поддержки существования жизни. Другие ученые отвергают гипотезу мультивселенной из-за отсутствия независимых свидетельств.
