Процесс горения кислорода — это набор реакций ядерного синтеза , которые происходят в массивных звездах, израсходовавших более легкие элементы в своих ядрах. Сжиганию кислорода предшествует процесс горения неона , а за ним следует процесс горения кремния . Когда процесс горения неона заканчивается, ядро звезды сжимается и нагревается, пока не достигнет температуры воспламенения для горения кислорода. Реакции горения кислорода аналогичны реакциям горения углерода; однако они должны происходить при более высоких температурах и плотностях из-за большего кулоновского барьера кислорода.
Кислород воспламеняется в интервале температур (1,5–2,6)×10 9 К [1] и в диапазоне плотностей (2,6–6,7)×10 12 кг·м -3 . [2] Основные реакции приведены ниже, [3] [4] где коэффициенты ветвления предполагают, что дейтронный канал открыт (при высоких температурах): [3]
Вблизи 2×10 9 К скорость реакции горения кислорода составляет примерно 2,8×10 −12 ( T 9 /2) 33 [ нужны разъяснения ] , [3] [5] где T 9 — температура в миллиардах кельвинов . В целом основными продуктами процесса горения кислорода являются [3] 28 Si, 32,33,34 S, 35,37 Cl, 36,38 Ar, 39,41 K и 40,42 Ca. Из них 28 Si и 32 S составляют 90% конечного состава. [3] Кислородное топливо в ядре звезды исчерпывается через 0,01–5 лет, в зависимости от массы звезды и других параметров. [1] [3] В ходе последующего процесса сжигания кремния создается железо, но это железо не может вступать в дальнейшую реакцию, создавая энергию для поддержания звезды.
Во время процесса горения кислорода, идущего наружу, существует оболочка, сжигающая кислород, за которой следуют неоновая оболочка, углеродная оболочка, гелиевая оболочка и водородная оболочка. Процесс горения кислорода — это последняя ядерная реакция в ядре звезды, которая не протекает через альфа-процесс .
Хотя 16 O легче неона, горение неона происходит раньше, чем горение кислорода, поскольку 16 O является двойным магическим ядром и, следовательно, чрезвычайно стабилен. По сравнению с кислородом неон гораздо менее стабилен. В результате горение неона происходит при более низких температурах, чем 16 O + 16 O. [9] При горении неона в ядре звезды накапливаются кислород и магний. В начале горения кислорода в ядре звезды много кислорода из-за процесса горения гелия ( 4 He(2α,γ) 12 C(α,γ) 16 O), процесса горения углерода ( 12 C( 12 C ,α) 20 Ne, 12 C(α,γ) 16 O) и процесс горения неона ( 20 Ne(γ,α) 16 O). Реакция 12 C(α,γ) 16 O оказывает существенное влияние на скорости реакций при горении кислорода, так как приводит к образованию больших количеств 16 O. [3]
У звезд с массой более 10,3 масс Солнца кислород воспламеняется в ядре или не воспламеняется вообще. Аналогично для звезд с массой менее 9 масс Солнца (без прироста дополнительной массы) кислород воспламеняется в ядре или не воспламеняется вообще. Однако в диапазоне масс Солнца 9–10,3 кислород воспламеняется не от центра.
Для звезд этого диапазона масс горение неона происходит в конвективной оболочке, а не в ядре звезды. В конкретном примере звезды с массой Солнца 9,5 процесс горения неона происходит в оболочке, удаленной от центра примерно на 0,252 солнечной массы (~ 1560 километров). После вспышки зажигания неоновая конвективная зона расширяется до 1,1 солнечной массы с пиковой мощностью около 10 36 Вт. Всего через месяц мощность снижается примерно до 10 35 Вт и остается на этом уровне около 10 лет. После этой фазы неон в оболочке истощается, что приводит к увеличению внутреннего давления на звезду. Это повышает температуру оболочки до 1,65 миллиарда Кельвинов. В результате образуется неоново-горящий, конвективно связанный фронт пламени, который движется к ядру. Движение пламени — это то, что в конечном итоге приводит к сжиганию кислорода. Примерно через 3 года температура пламени достигает примерно 1,83 миллиарда Кельвинов, что позволяет начать процесс горения кислорода. Это происходит примерно за 9,5 лет до того, как образуется железное ядро. Подобно началу горения неона, горение кислорода вне центра начинается с новой вспышки. Конвективное горящее пламя возникает в результате горения как неона, так и кислорода по мере продвижения к ядру, в то время как горящая кислород оболочка постоянно сжимается в массе. [8]
В процессе горения кислорода становятся актуальными потери энергии из-за испускания нейтрино. Из-за больших потерь энергии кислород должен гореть при температуре выше миллиарда Кельвинов, чтобы поддерживать достаточно сильное радиационное давление, чтобы поддерживать звезду против гравитации. Далее, две реакции захвата электронов [ уточняю ] (которые производят нейтрино) становятся значимыми, когда плотность вещества достаточно высока (ρ > 2×10 7 г/см 3 ). Из-за этих факторов время горения кислорода для тяжелых и плотных звезд намного короче. [7]
Процесс горения кислорода может протекать в гидростатических и взрывоопасных условиях. Продукты взрывного горения кислорода аналогичны продуктам гидростатического горения кислорода. Однако устойчивое горение кислорода сопровождается множеством захватов электронов, а взрывное горение кислорода сопровождается значительно большим наличием реакций фотораспада . В интервале температур (3–4)×10 9 К фотораспад и синтез кислорода протекают с сопоставимыми скоростями реакций. [3]
Очень массивные (140–260 солнечных масс) звезды популяции III могут стать нестабильными во время горения кислорода в ядре из-за образования пар . В результате происходит термоядерный взрыв, который полностью разрушает звезду. [2] [6]