stringtranslate.com

Тройной альфа-процесс

Обзор процесса «три-альфа»

Процесс тройного альфа представляет собой набор реакций ядерного синтеза , в ходе которых три ядра гелия-4 ( альфа-частицы ) преобразуются в углерод . [1] [2]

Тройной альфа-процесс в звездах

Сравнение выходной энергии (ε) процессов синтеза протон-протон (PP), CNO и Triple-α при различных температурах (T). Пунктирная линия показывает комбинированную генерацию энергии процессов PP и CNO внутри звезды.

Гелий накапливается в ядрах звезд в результате цепной реакции протон-протон и цикла углерод-азот-кислород .

Реакция ядерного синтеза двух ядер гелия-4 производит бериллий-8 , который крайне нестабилен и распадается на более мелкие ядра с периодом полураспада8,19 × 10−17 с , если только в течение этого времени третья альфа-частица не сольется с ядром бериллия-8  [ 3], чтобы создать возбужденное резонансное состояние углерода-12 , [4] называемое состоянием Хойла , которое почти всегда распадается обратно на три альфа-частицы, но примерно один раз в 2421,3 раза высвобождает энергию и переходит в стабильную базовую форму углерода-12. [5] Когда у звезды заканчивается водород для слияния в ее ядре, она начинает сжиматься и нагреваться. Если центральная температура повышается до 10 8 К, [6] в шесть раз горячее ядра Солнца, альфа-частицы могут сливаться достаточно быстро, чтобы преодолеть барьер бериллия-8 и произвести значительные количества стабильного углерода-12.

Чистое выделение энергии в процессе составляет 7,275 МэВ.

В качестве побочного эффекта этого процесса некоторые ядра углерода сливаются с дополнительным гелием, образуя стабильный изотоп кислорода и энергии:

12
6С
+4
2Он
→16
8О
+γ(+7,162 МэВ)

Реакции ядерного синтеза гелия с водородом производят литий-5 , который также крайне нестабилен и распадается 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 значимы только при более высоких температурах и давлениях, чем в ядрах, подвергающихся тройному альфа-процессу. Это создает ситуацию, в которой звездный нуклеосинтез производит большие количества углерода и кислорода, но только небольшая часть этих элементов преобразуется в неон и более тяжелые элементы. Кислород и углерод являются основной «золой» горения гелия-4.

Первичный углерод

Процесс тройной альфа неэффективен при давлениях и температурах в начале Большого взрыва . Одним из последствий этого является то, что в Большом взрыве не было произведено значительного количества углерода.

Резонансы

Обычно вероятность процесса тройной альфа крайне мала. Однако основное состояние бериллия-8 имеет почти точно такую ​​же энергию, как две альфа-частицы. На втором этапе 8 Be + 4 He имеет почти точно такую ​​же энергию, как возбужденное состояние 12 C. Этот резонанс значительно увеличивает вероятность того, что входящая альфа-частица объединится с бериллием-8, образуя углерод. Существование этого резонанса было предсказано Фредом Хойлом 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 весьма существенную поддержку гипотезе Хойла о звездном нуклеосинтезе , которая постулировала, что все химические элементы изначально были образованы из водорода, истинного изначального вещества. Антропный принцип был упомянут для объяснения того факта, что ядерные резонансы чувствительным образом организованы для создания больших количеств углерода и кислорода во Вселенной. [7] [8]

Нуклеосинтез тяжелых элементов

При дальнейшем повышении температуры и плотности процессы синтеза производят нуклиды только до никеля-56 (который позже распадается на железо ); более тяжелые элементы (те, что после Ni) создаются в основном путем захвата нейтронов. Медленный захват нейтронов, s-процесс , производит около половины элементов после железа. Другая половина производится путем быстрого захвата нейтронов, r-процесса , который, вероятно, происходит при коллапсе ядра сверхновых и слияниях нейтронных звезд . [9]

Скорость реакции и звездная эволюция

Ступени тройной альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного материала. Мощность, выделяемая реакцией, приблизительно пропорциональна температуре в 40-й степени и квадрату плотности. [10] Напротив, цепная реакция протон-протон производит энергию со скоростью, пропорциональной четвертой степени температуры, цикл CNO — примерно в 17-й степени температуры, и оба они линейно пропорциональны плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздней стадии звездной эволюции, стадии красного гиганта .

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 плотность становится достаточно высокой, по всему ядру начинается термоядерный синтез посредством скорости процесса тройной альфа. Ядро не может расширяться в ответ на возросшее производство энергии, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы снять вырождение. Как следствие, температура увеличивается, вызывая повышенную скорость реакции в цикле положительной обратной связи, которая становится неуправляемой реакцией. Этот процесс, известный как гелиевая вспышка , длится несколько секунд, но сжигает 60–80% гелия в ядре. Во время вспышки ядра производство энергии звездой может достигать приблизительно 10 11 солнечных светимостей , что сопоставимо со светимостью целой галактики , [11] хотя на поверхности не будет немедленно наблюдаться никаких эффектов, поскольку вся энергия используется для подъема ядра из вырожденного в нормальное, газообразное состояние. Поскольку ядро ​​больше не вырождено, гидростатическое равновесие снова устанавливается, и звезда начинает «сжигать» гелий в своем ядре и водород в сферическом слое над ядром. Звезда входит в устойчивую фазу сжигания гелия, которая длится около 10% времени, проведенного ею на главной последовательности (ожидается, что Солнце будет сжигать гелий в своем ядре около миллиарда лет после гелиевой вспышки). [12]

В звездах с большей массой, которые развиваются вдоль асимптотической ветви гигантов , углерод и кислород накапливаются в ядре по мере сгорания гелия, в то время как горение водорода смещается в более дальние слои, что приводит к образованию промежуточной гелиевой оболочки. Однако границы этих оболочек не смещаются наружу с одинаковой скоростью из-за различных критических температур и температурной чувствительности для горения водорода и гелия. Когда температура на внутренней границе гелиевой оболочки уже недостаточно высока для поддержания горения гелия, ядро ​​сжимается и нагревается, в то время как водородная оболочка (и, следовательно, радиус звезды) расширяются наружу. Сжатие ядра и расширение оболочки продолжаются до тех пор, пока ядро ​​не станет достаточно горячим, чтобы снова зажечь окружающий гелий. Этот процесс продолжается циклически — с периодом порядка 1000 лет — и звезды, проходящие этот процесс, имеют периодически переменную светимость. Эти звезды также теряют материал из своих внешних слоев в звездном ветре, движимом давлением излучения , который в конечном итоге становится суперветром , когда звезда входит в фазу планетарной туманности . [13]

Открытие

Процесс тройной альфа сильно зависит от углерода-12 и бериллия-8, имеющих резонансы с немного большей энергией, чем гелий-4 . Основываясь на известных резонансах, к 1952 году казалось невозможным, чтобы обычные звезды производили углерод, а также любой более тяжелый элемент. [14] Ядерный физик Уильям Альфред Фаулер заметил резонанс бериллия-8, а Эдвин Солпитер рассчитал скорость реакции для нуклеосинтеза 8 Be, 12 C и 16 O, принимая во внимание этот резонанс. [15] [16] Однако Солпитер рассчитал, что красные гиганты сжигают гелий при температурах 2·10 8 К или выше, тогда как другие недавние работы предполагали температуры вплоть до 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 никогда не развивал их. Вместо этого астрофизик Фред Хойл в 1953 году использовал распространенность углерода-12 во Вселенной в качестве доказательства существования резонанса углерода-12. Единственный способ, которым Хойл мог обнаружить, что это приведет к распространенности как углерода, так и кислорода, был через тройной альфа-процесс с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ, который также устранил бы расхождение в расчетах Солпитера. [14]

Хойл отправился в лабораторию Фаулера в Калтехе и сказал, что в ядре углерода-12 должен быть резонанс 7,68 МэВ. (Были сообщения о возбужденном состоянии около 7,5 МэВ. [14] ) Смелость Фреда Хойла в этом поступке замечательна, и поначалу физики-ядерщики в лаборатории были настроены скептически. Наконец, младший физик Уорд Уэйлинг, только что закончивший Университет Райса , который искал проект, решил поискать резонанс. Фаулер разрешил Уэйлингу использовать старый генератор Ван де Граафа , который не использовался. Хойл вернулся в Кембридж, когда лаборатория Фаулера обнаружила резонанс углерода-12 около 7,65 МэВ несколько месяцев спустя, подтвердив его предсказание. Физики-ядерщики назначили Хойла первым автором статьи, представленной Уэйлингом на летнем заседании Американского физического общества . Вскоре последовало долгое и плодотворное сотрудничество между Хойлом и Фаулером, причем Фаулер даже приехал в Кембридж. [17]

Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Поскольку состояние Хойла было предсказано как состояние 0+ или 2+, ожидалось увидеть электронно-позитронные пары или гамма-лучи . Однако, когда были проведены эксперименты, канал реакции гамма-излучения не наблюдался, и это означало, что состояние должно быть состоянием 0+. Это состояние полностью подавляет одиночное гамма-излучение, поскольку одиночное гамма-излучение должно уносить по крайней мере 1 единицу углового момента . Образование пар из возбужденного состояния 0+ возможно, поскольку их объединенные спины (0) могут связываться с реакцией, которая имеет изменение углового момента 0. [18]

Невероятность и тонкая настройка

Углерод является необходимым компонентом всей известной жизни. 12 C, стабильный изотоп углерода, в больших количествах вырабатывается в звездах благодаря трем факторам:

  1. Время распада ядра 8Be на четыре порядка больше времени рассеяния двух ядер 4He (альфа-частиц). [ 19]
  2. Возбужденное состояние ядра 12 C существует немного (0,3193 МэВ) выше энергетического уровня 8 Be + 4 He. Это необходимо, поскольку основное состояние 12 C находится на 7,3367 МэВ ниже энергии 8 Be + 4 He; ядро ​​8 Be и ядро ​​4 He не могут разумно напрямую слиться в основное состояние ядра 12 C. Однако 8 Be и 4 He используют кинетическую энергию своего столкновения для слияния в возбужденное 12 C (кинетическая энергия обеспечивает дополнительные 0,3193 МэВ, необходимые для достижения возбужденного состояния), которое затем может перейти в свое стабильное основное состояние. Согласно одному расчету, уровень энергии этого возбужденного состояния должен быть между примерно 7,3 МэВ и 7,9 МэВ, чтобы произвести достаточно углерода для существования жизни, и должен быть дополнительно «тонко настроен» до уровня между 7,596 МэВ и 7,716 МэВ, чтобы произвести обильный уровень 12 C, наблюдаемый в природе. [20] Состояние Хойла, как было измерено, находится примерно на 7,65 МэВ выше основного состояния 12 C. [21]
  3. В реакции 12 C + 4 He → 16 O существует возбужденное состояние кислорода, которое, если бы оно было немного выше, обеспечивало бы резонанс и ускоряло бы реакцию. В этом случае в природе было бы недостаточно углерода; почти весь он превратился бы в кислород. [19]

Некоторые ученые утверждают, что резонанс Хойла 7,656 МэВ, в частности, вряд ли является продуктом простой случайности. Фред Хойл утверждал в 1982 году, что резонанс Хойла является свидетельством «сверхразума»; [14] Леонард Сасскинд в «Космическом ландшафте» отвергает аргумент Хойла о разумном замысле . [22] Вместо этого некоторые ученые считают, что разные вселенные, части огромной « мультивселенной », имеют разные фундаментальные константы: [23] согласно этой спорной гипотезе тонкой настройки , жизнь может развиваться только в меньшинстве вселенных, где фундаментальные константы случайно настроены так, чтобы поддерживать существование жизни. Другие ученые отвергают гипотезу мультивселенной из-за отсутствия независимых доказательств. [24]

Ссылки

  1. ^ Аппенцеллер; Харвит; Киппенхан; Стриттматтер; Тримбл, ред. (1998). Библиотека астрофизики (3-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер.
  2. ^ Кэрролл, Брэдли В. и Остли, Дейл А. (2007). Введение в современную звездную астрофизику . Эддисон Уэсли, Сан-Франциско. ISBN 978-0-8053-0348-3.
  3. ^ Бохан, Элиз; Динвидди, Роберт; Чаллонер, Джек; Стюарт, Колин; Харви, Дерек; Рэгг-Сайкс, Ребекка ; Крисп, Питер ; Хаббард, Бен; Паркер, Филлип; и др. (писатели) (февраль 2016 г.). Большая история. Предисловие Дэвида Кристиана (1-е американское изд.). Нью-Йорк : DK . стр. 58. ISBN 978-1-4654-5443-0. OCLC  940282526.
  4. ^ Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "Оценка ядерных свойств с помощью NUBASE2016" (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  5. ^ Углеродный вызов, Мортен Хьорт-Йенсен, Физический факультет и Центр прикладной математики, Университет Осло , N-0316 Осло, Норвегия: 9 мая 2011 г., Физика 4, 38
  6. ^ Уилсон, Роберт (1997). "Глава 11: Звезды – их рождение, жизнь и смерть". Астрономия сквозь века история человеческой попытки понять вселенную . Бейзингсток: Тейлор и Фрэнсис . ISBN 9780203212738.
  7. ^ Например, Джон Барроу ; Фрэнк Типлер (1986). Антропный космологический принцип .
  8. ↑ Фред Хойл, «Вселенная: прошлые и настоящие размышления». Engineering and Science , ноябрь 1981 г., стр. 8–12.
  9. ^ Пиан, Э.; д'Аванзо, П.; Бенетти, С.; Бранчези, М.; Брокато, Э.; Кампана, С.; Каппелларо, Э.; Ковино, С.; д'Элия, В.; Финбо, JPU; Гетман Ф.; Гирланда, Г.; Гизеллини, Дж.; Градо, А.; Греко, Г.; Хьорт, Дж.; Кувелиоту, К.; Леван, А.; Лиматола, Л.; Малезани, Д.; Маццали, Пенсильвания; Меландри, А.; Мёллер, П.; Никастро, Л.; Палацци, Э.; Пираномонте, С.; Росси, А.; Салафия, ОС; Селсинг, Дж.; и др. (2017). «Спектроскопическая идентификация r-процесса нуклеосинтеза в слиянии двух нейтронных звезд». Nature . 551 (7678): 67–70. arXiv : 1710.05858 . Bibcode :2017Natur.551...67P. doi :10.1038/nature24298. PMID  29094694 . S2CID  3840214.
  10. ^ Кэрролл, Брэдли В.; Остли, Дейл А. (2006). Введение в современную астрофизику (2-е изд.). Эддисон-Уэсли, Сан-Франциско. С. 312–313. ISBN 978-0-8053-0402-2.
  11. ^ Приальник, Дина (2006). Введение в теорию звездной структуры и эволюции (2-е изд.). Addison-Wesley, Сан-Франциско. С. 461–462. ISBN 978-0-8053-0402-2.
  12. ^ "Конец Солнца". Faculty.wcas.northwestern.edu . Получено 29-07-2020 .
  13. ^ Кэрролл, Брэдли В.; Остли, Дейл А. (2010). «Тепловые импульсы и асимптотическая ветвь гигантов». Введение в современную астрофизику (2-е изд.). Cambridge University Press. С. 168–173. ISBN 9780521866040.
  14. ^ abcd Kragh, Helge (2010) Когда предсказание является антропным? Фред Хойл и углеродный резонанс 7,65 МэВ. http://philsci-archive.pitt.edu/5332/
  15. ^ Salpeter, EE (1952). «Ядерные реакции в звездах без водорода». The Astrophysical Journal . 115 : 326–328. Bibcode : 1952ApJ...115..326S. doi : 10.1086/145546.
  16. ^ Солпитер, Э.Э. (2002). «Генералист оглядывается назад». Анну. Преподобный Астрон. Астрофизика . 40 : 1–25. Бибкод : 2002ARA&A..40....1S. doi : 10.1146/annurev.astro.40.060401.093901.
  17. ^ Фред Хойл, Жизнь в науке , Саймон Миттон, Cambridge University Press, 2011, страницы 205–209.
  18. ^ Кук, CW; Фаулер, W.; Лауритсен, C.; Лауритсен, T. (1957). «12B, 12C и красные гиганты». Physical Review . 107 (2): 508–515. Bibcode : 1957PhRv..107..508C. doi : 10.1103/PhysRev.107.508.
  19. ^ ab Uzan, Jean-Philippe (апрель 2003 г.). «Фундаментальные константы и их вариации: наблюдательный и теоретический статус». Reviews of Modern Physics . 75 (2): 403–455. arXiv : hep-ph/0205340 . Bibcode :2003RvMP...75..403U. doi :10.1103/RevModPhys.75.403. S2CID  118684485.
  20. ^ Livio, M.; Hollowell, D.; Weiss, A.; Truran, JW (27 июля 1989 г.). «Антропное значение существования возбужденного состояния 12 C». Nature . 340 (6231): 281–284. Bibcode :1989Natur.340..281L. doi :10.1038/340281a0. S2CID  4273737.
  21. ^ Freer, M.; Fynbo, HOU (2014). "The Hoyle state in 12C" (PDF) . Progress in Particle and Nuclear Physics . 78 : 1–23. Bibcode :2014PrPNP..78....1F. doi :10.1016/j.ppnp.2014.06.001. S2CID  55187000. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-07-18.
  22. ^ Пикок, Джон (2006). «Вселенная, настроенная на жизнь». American Scientist . 94 (2): 168–170. doi :10.1511/2006.58.168. JSTOR  27858743.
  23. ^ «Странное горение звезд делает жизнь в мультивселенной более вероятной». New Scientist . 1 сентября 2016 г. Получено 15 января 2017 г.
  24. ^ Барнс, Люк А. (2012). «Тонкая настройка Вселенной для разумной жизни». Публикации Астрономического общества Австралии . 29 (4): 529–564. arXiv : 1112.4647 . Bibcode :2012PASA...29..529B. doi : 10.1071/as12015 .