Процесс тройного альфа представляет собой набор реакций ядерного синтеза , в ходе которых три ядра гелия-4 ( альфа-частицы ) превращаются в углерод . [1] [2]
Гелий накапливается в ядрах звезд в результате протон-протонной цепной реакции и цикла углерод-азот-кислород .
Реакция ядерного синтеза двух ядер гелия-4 приводит к образованию бериллия-8 , который очень нестабильен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада8,19 × 10 -17 с , если за это время третья альфа-частица не сольется с ядром бериллия-8 [3] с образованием возбужденного резонансного состояния углерода-12 , [4] называемого состоянием Хойла , которое почти всегда распадается обратно в три альфа-частицы, но примерно раз в 2421,3 раза высвобождает энергию и превращается в стабильную основную форму углерода-12. [5] Когда в ядре звезды заканчивается водород для плавления, она начинает сжиматься и нагреваться. Если центральная температура поднимется до 108 К , [6] в шесть раз выше, чем в ядре Солнца, альфа-частицы смогут слиться достаточно быстро, чтобы преодолеть барьер из бериллия-8 и произвести значительные количества стабильного углерода-12.
Чистое энерговыделение процесса составляет 7,275 МэВ.
В качестве побочного эффекта этого процесса некоторые ядра углерода сливаются с дополнительным гелием, образуя стабильный изотоп кислорода и энергию:
Реакции ядерного синтеза гелия с водородом производят 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 создать более тяжелые элементы в цепочке звездного нуклеосинтеза , известной как альфа-процесс , но эти реакции значимы 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 основной «золой» горения гелия-4.
Процесс тройного альфа неэффективен при давлениях и температурах в начале Большого взрыва . Одним из последствий этого является то, что при Большом взрыве не было произведено значительного количества углерода.
Обычно вероятность процесса тройного альфа чрезвычайно мала. Однако основное состояние бериллия-8 имеет почти такую же энергию, как две альфа-частицы. На втором этапе 8 Be + 4 He имеет почти такую же энергию возбужденного состояния , как 12 C. Этот резонанс значительно увеличивает вероятность того, что приближающаяся 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 дало очень существенную поддержку гипотезе Хойла о звездном нуклеосинтезе , которая постулировала, что все химические элементы изначально образовались из водорода, истинного первичного вещества. Антропный принцип был использован для объяснения того факта, что ядерные резонансы чувствительны к созданию большого количества углерода и кислорода во Вселенной. [7] [8]
При дальнейшем повышении температуры и плотности в процессах синтеза образуются нуклиды только до никеля-56 (который позже распадается на железо ); более тяжелые элементы (кроме 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 коллапсе ядра сверхновых и слияниях нейтронных звезд . [9]
Ступени тройного альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного материала. Мощность, выделяющаяся при реакции, примерно пропорциональна температуре в 40-й степени и квадрату плотности. [10] Напротив, протон-протонная цепная реакция производит энергию со скоростью, пропорциональной четвертой степени температуры, цикл CNO - примерно с 17-й степенью температуры, и оба 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 электронного вырождения . Все вырожденное ядро имеет одинаковую температуру и давление, поэтому, когда его плотность становится достаточно высокой, во всем ядре начинается термоядерный синтез с помощью процесса тройного альфа. Ядро неспособно расширяться в ответ на увеличение производства энергии до тех пор, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы снять вырождение. Как следствие, температура увеличивается, вызывая увеличение скорости реакции в цикле положительной обратной связи, которая становится неконтролируемой реакцией. Этот процесс, известный как гелиевая вспышка , длится несколько секунд, но сжигает 60–80% гелия в ядре. Во время вспышки ядра энергопроизводство звезды может достигать примерно 10 11 солнечной светимости , что сравнимо со светимостью целой галактики , [11] хотя на поверхности сразу никаких эффектов наблюдаться не будет, так как вся энергия расходуется на подъем ядра из вырожденного в нормальное, газообразное состояние. Поскольку ядро больше не вырождается, гидростатическое равновесие снова устанавливается, и звезда начинает «сжигать» гелий в своем ядре и водород в сферическом слое над ядром. Звезда вступает в фазу устойчивого горения гелия, которая длится около 10% времени, которое она провела на главной последовательности (ожидается, что Солнце будет сжигать гелий в своем ядре в течение примерно миллиарда лет после гелиевой вспышки). [12]
У звезд с большей массой углерод собирается в ядре, вытесняя гелий в окружающую оболочку, где и происходит его горение. 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 увеличение теплового давления 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 меняющийся радиус и производство энергии. Эти звезды также будут терять материал из своих внешних слоев по мере расширения и сжатия. [ нужна цитата ]
Процесс тройного альфа сильно зависит от углерода-12 и бериллия-8 , имеющих резонансы с немного большей энергией, чем у гелия-4 . Судя по известным резонансам, к 1952 году казалось невозможным, чтобы обычные звезды производили углерод, а также любой более тяжелый элемент. [13] Физик-ядерщик Уильям Альфред Фаулер отметил резонанс бериллия-8, а Эдвин Солпитер рассчитал скорость реакции нуклеосинтеза 8 Be, 12 C и 16 O с учетом этого резонанса. [14] [15] Однако Солпитер подсчитал, что красные гиганты сжигают гелий при температуре 2·10 8 К или выше, тогда как в других недавних работах предполагалось, что температура ядра красного гиганта составляет всего 1,1·10 8 К.
В статье Солпитера вскользь упоминалось о влиянии, которое неизвестные резонансы в углероде-12 окажут на его расчеты, но автор никогда не развивал их. Вместо этого астрофизик Фред Хойл в 1953 году использовал обилие углерода-12 во Вселенной как доказательство существования резонанса углерода-12. Единственный способ, которым Хойл смог найти способ производить большое количество как углерода, так и кислорода, - это процесс тройного альфа с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ, что также устранило бы несоответствие в расчетах Солпитера. [13]
Хойл отправился 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 при энергии около 7,5 МэВ [13] ). Смелость Фреда Хойла в этом поразительна, и поначалу физики-ядерщики в лаборатории были настроены скептически. Наконец, младший физик Уорд Уэйлинг, только что из Университета Райса , который искал проект, решил поискать резонанс. Фаулер дал Уэйлингу разрешение 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 Уэйлингом на летнем собрании Американского физического общества . Вскоре последовало долгое и плодотворное сотрудничество между Хойлом и Фаулером, и Фаулер даже приехал в Кембридж. [16]
Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Поскольку было предсказано, что состояние Хойла будет состоянием 0+ или 2+, ожидалось, что будут видны электрон-позитронные пары или гамма-лучи . Однако при проведении экспериментов канал реакции гамма-излучения не наблюдался, а 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, поскольку их объединенные спины (0) могут вступать в реакцию, имеющую изменение углового момента, равное 0. [17]
Углерод является необходимым компонентом всей известной жизни. 12 C, стабильный изотоп углерода, в больших количествах вырабатывается в звездах благодаря трем факторам:
Некоторые ученые утверждают, что, в частности, резонанс Хойла с энергией 7,656 МэВ вряд ли является продуктом простой случайности. Фред Хойл утверждал в 1982 году, что резонанс Хойла был свидетельством существования «сверхразума»; [13] Леонард Сасскинд в книге «Космический пейзаж» отвергает аргумент Хойла о разумном замысле . [21] Вместо этого некоторые учёные полагают, что разные вселенные, части обширной « мультивселенной », имеют разные фундаментальные константы: [22] согласно этой спорной гипотезе тонкой настройки , жизнь может развиваться только в меньшинстве вселенных, где фундаментальные константы оказались приспособлены для поддержания существования жизни. Другие ученые отвергают гипотезу мультивселенной из-за отсутствия независимых доказательств. [23]
