Цикл CNO ( углерод – азот – кислород ; иногда называемый циклом Бете-Вайцзеккера в честь Ганса Альбрехта Бете и Карла Фридриха фон Вайцзеккера ) является одним из двух известных наборов реакций синтеза , посредством которых звезды преобразуют водород в гелий , другой – это цепная реакция протон-протон (цикл p–p), которая более эффективна при температуре ядра Солнца . Предполагается, что цикл CNO является доминирующим в звездах, которые более чем в 1,3 раза массивнее Солнца . [1]
В отличие от реакции протон-протон, которая расходует все свои компоненты, цикл CNO является каталитическим циклом . В цикле CNO четыре протона сливаются, используя изотопы углерода , азота и кислорода в качестве катализаторов, каждый из которых расходуется на одном этапе цикла CNO, но регенерируется на более позднем этапе. Конечным продуктом является одна альфа-частица ( стабильное ядро гелия ), два позитрона и два электронных нейтрино .
В циклах CNO задействованы различные альтернативные пути и катализаторы, но все эти циклы имеют один и тот же конечный результат:
Позитроны почти мгновенно аннигилируют с электронами , высвобождая энергию в виде гамма-лучей . Нейтрино покидают звезду, унося с собой часть энергии. [2] Одно ядро затем превращается в изотопы углерода, азота и кислорода посредством ряда преобразований в повторяющемся цикле.
Протон-протонная цепочка более заметна в звездах с массой Солнца или меньше. Это различие обусловлено различиями в температурной зависимости между двумя реакциями; pp-цепная реакция начинается при температурах около4 × 10 6 K [3] (4 мегакельвина), что делает его доминирующим источником энергии в меньших звездах. Самоподдерживающаяся цепочка CNO начинается примерно при15 × 10 6 К , но его выход энергии растет гораздо быстрее с ростом температуры [1], так что он становится доминирующим источником энергии приблизительно при17 × 10 6 К. [4 ]
Температура ядра Солнца составляет около15,7 × 10 6 К , и только1,7% от4ОнЯдра, образующиеся на Солнце, рождаются в цикле CNO.
Процесс CNO-I был независимо предложен Карлом фон Вайцзеккером [5] [6] и Гансом Бете [7] [8] в конце 1930-х годов.
Первые отчеты об экспериментальном обнаружении нейтрино, произведенных циклом CNO на Солнце, были опубликованы в 2020 году коллаборацией BOREXINO . Это также было первым экспериментальным подтверждением того, что у Солнца есть цикл CNO, что предложенная величина цикла была точной, и что фон Вайцзеккер и Бете были правы. [2] [9] [10]
В типичных условиях, которые встречаются в звездах, каталитическое сжигание водорода циклами CNO ограничено захватами протонов . В частности, временная шкала для бета-распада полученных радиоактивных ядер короче временной шкалы для синтеза. Из-за длительных временных шкалы холодные циклы CNO медленно преобразуют водород в гелий, что позволяет им питать звезды в состоянии покоя в течение многих лет.
Первый предложенный каталитический цикл для превращения водорода в гелий изначально назывался углеродно-азотным циклом (CN-циклом), также называемым циклом Бете-Вайцзеккера в честь независимой работы Карла Фридриха фон Вайцзеккера в 1937–38 годах [5] [6] и Ганса Бете . Статьи Бете 1939 года по CN-циклу [7] [8] опирались на три более ранние статьи, написанные в сотрудничестве с Робертом Бахером и Милтоном Стэнли Ливингстоном [11] [12] [13] и которые стали неофициально известны как «Библия Бете» . Она считалась стандартной работой по ядерной физике в течение многих лет и была важным фактором в присуждении ему Нобелевской премии по физике 1967 года . [14] Первоначальные расчеты Бете предполагали, что CN-цикл был основным источником энергии Солнца. [7] [8] Этот вывод возник из убеждения, которое, как теперь известно, ошибочно, что содержание азота на солнце составляет приблизительно 10%; на самом деле оно меньше половины процента. [15] Цикл CN, названный так потому, что он не содержит стабильного изотопа кислорода, включает в себя следующий цикл превращений: [15]
Этот цикл теперь понимается как первая часть более крупного процесса, CNO-цикла, и основными реакциями в этой части цикла (CNO-I) являются: [15]
где ядро углерода-12, используемое в первой реакции, регенерируется в последней реакции. После того, как два испущенных позитрона аннигилируют с двумя окружающими электронами, производя дополнительный2,04 МэВ , общая энергия, выделяемая за один цикл, составляет 26,73 МэВ; в некоторых текстах авторы ошибочно включают энергию аннигиляции позитрона в значение Q бета-распада , а затем пренебрегают равным количеством энергии, выделяемой аннигиляцией, что приводит к возможной путанице. Все значения рассчитаны со ссылкой на Atomic Mass Evaluation 2003. [17]
Лимитирующей (самой медленной) реакцией в цикле CNO-I является захват протона на14
7Н
. В 2006 году он был экспериментально измерен до звездных энергий, что позволило пересмотреть расчетный возраст шаровых скоплений примерно на 1 миллиард лет. [18]
Нейтрино , испускаемые при бета-распаде, будут иметь спектр энергетических диапазонов, поскольку, хотя импульс сохраняется , импульс может быть разделен любым способом между позитроном и нейтрино, при этом один из них испускается в состоянии покоя, а другой забирает всю энергию, или что-то среднее, при условии, что используется вся энергия из Q-значения. Общий импульс, полученный позитроном и нейтрино, недостаточно велик, чтобы вызвать значительную отдачу гораздо более тяжелого дочернего ядра [a], и, следовательно, его вкладом в кинетическую энергию продуктов, для точности приведенных здесь значений, можно пренебречь. Таким образом, нейтрино, испускаемое при распаде азота-13, может иметь энергию от нуля до1,20 МэВ , а нейтрино, испускаемые при распаде кислорода-15, могут иметь энергию от нуля до1,73 МэВ . В среднем, около 1,7 МэВ от общей энергии, вырабатываемой нейтрино, забирается за каждую петлю цикла, оставляя около25 МэВ доступно для создания светимости . [19]
В малой ветви вышеуказанной реакции, происходящей в ядре Солнца в 0,04% случаев, конечная реакция, в которой участвует15
7Н
показанный выше не производит углерод-12 и альфа-частицу, а вместо этого производит кислород-16 и фотон и продолжает
Подробно:
Подобно углероду, азоту и кислороду, участвующим в главной ветви, фтор, образующийся в малой ветви, является всего лишь промежуточным продуктом; в устойчивом состоянии он не накапливается в звезде.
Эта субдоминантная ветвь имеет значение только для массивных звезд. Реакции начинаются, когда одна из реакций в CNO-II приводит к образованию фтора-18 и фотона вместо азота-14 и альфа-частицы, и продолжается
Подробно:
Как и CNO-III, эта ветвь также имеет значение только в массивных звездах. Реакции начинаются, когда одна из реакций в CNO-III приводит к образованию фтора-19 и фотона вместо азота-15 и альфа-частицы, и продолжается
Подробно:
В некоторых случаях18
9Ф
может объединиться с ядром гелия, чтобы начать цикл натрий-неон. [20]
В условиях более высокой температуры и давления, таких как те, что наблюдаются в новых и рентгеновских вспышках , скорость захвата протонов превышает скорость бета-распада, подталкивая горение к протонной линии капельного распада . Основная идея заключается в том, что радиоактивный вид захватит протон до того, как он сможет бета-распасться, открывая новые пути ядерного горения, которые в противном случае были бы недоступны. Из-за более высоких температур эти каталитические циклы обычно называют горячими циклами CNO; поскольку временные масштабы ограничены бета-распадами вместо захватов протонов , их также называют бета-ограниченными циклами CNO. [ необходимо разъяснение ]
Разница между циклом CNO-I и циклом HCNO-I заключается в том, что13
7Н
захватывает протон вместо распада, что приводит к полной последовательности
Подробно:
Заметное различие между циклом CNO-II и циклом HCNO-II заключается в том, что17
9Ф
захватывает протон вместо распада, и неон образуется в последующей реакции на18
9Ф
, что приводит к полной последовательности
Подробно:
Альтернативой циклу HCNO-II является18
9Ф
захватывает протон, движущийся в сторону большей массы, и использует тот же механизм производства гелия, что и цикл CNO-IV, как
Подробно:
В то время как общее число «каталитических» ядер сохраняется в цикле, в звездной эволюции относительные пропорции ядер изменяются. Когда цикл достигает равновесия, соотношение ядер углерода-12/углерода-13 доводится до 3,5, и азот-14 становится самым многочисленным ядром, независимо от начального состава. Во время эволюции звезды эпизоды конвективного смешивания перемещают материал, в котором действовал цикл CNO, из недр звезды на поверхность, изменяя наблюдаемый состав звезды. Красные гигантские звезды, как наблюдалось, имеют более низкие соотношения углерода-12/углерода-13 и углерода-12/азота-14, чем звезды главной последовательности , что считается убедительным доказательством работы цикла CNO. [21]
Таким образом, этот результат прокладывает путь к прямому измерению солнечной металличности с использованием нейтрино CNO. Наши результаты количественно определяют относительный вклад синтеза CNO в Солнце, который составляет порядка 1 процента;
Покар отмечает: «Подтверждение горения CNO на нашем Солнце, где оно составляет всего один процент, укрепляет нашу уверенность в том, что мы понимаем, как работают звезды».
