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 , с помощью которых звезды превращают водород в гелий , другой — протон . –протонная цепная реакция (цикл p–p), которая более эффективна при температуре ядра Солнца . Предполагается, что цикл CNO доминирует у звезд, которые более чем в 1,3 раза массивнее Солнца . [1]
В отличие от протон-протонной реакции, в которой расходуются все ее составляющие, 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 вместе с электронами , высвобождая энергию в виде гамма-лучей . Нейтрино вылетают из звезды, унося с собой часть энергии. [2] Одно ядро превращается в изотопы углерода, азота и кислорода посредством ряда преобразований в повторяющемся цикле.
Цепочка протон-протон более заметна у звезд с массой Солнца или меньше. Это различие обусловлено различиями в температурной зависимости между двумя реакциями; pp-цепная реакция начинается при температуре около4 × 10 6 К [3] (4 мегакельвина), что делает его доминирующим источником энергии в меньших звездах. Самоподдерживающаяся цепочка CNO начинается примерно с15 × 10 6 К , но его энерговыделение растет гораздо быстрее с ростом температуры [1] , так что он становится доминирующим источником энергии примерно 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 сообщения об экспериментальном обнаружении нейтрино, образующихся в цикле CNO на Солнце, были опубликованы в 2020 году коллаборацией BOREXINO . Это также было первое экспериментальное подтверждение того, что Солнце имеет цикл CNO, что предложенная величина цикла верна и что фон Вайцзеккер и Бете были правы. [2] [9] [10]
В типичных условиях звезд каталитическое горение водорода в циклах CNO ограничивается захватом протонов . В частности, время бета-распада образующихся радиоактивных ядер быстрее, чем время синтеза. Из-за длительных временных рамок холодные циклы CNO медленно преобразуют водород в гелий, что позволяет им питать звезды в спокойном равновесии в течение многих лет.
Первый предложенный каталитический цикл превращения водорода в гелий первоначально назывался углеродно-азотным циклом (CN-цикл), также называемым циклом Бете-Вайцзеккера в честь независимой работы Карла Фридриха фон Вайцзеккера в 1937–38 гг. [5] [6] и Ганс Бете . Статьи Бете о CN-цикле 1939 года [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». . На протяжении многих лет эта работа считалась стандартной работой по ядерной физике и сыграла важную роль 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, является ошибочным, что содержание азота на Солнце составляет примерно 10%; на самом деле это менее половины процента. [15] CN-цикл, названный так потому, что он не содержит стабильного изотопа кислорода, включает 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, использованное в первой реакции, регенерируется в последней реакции. После того, как два испущенных позитрона аннигилируют с двумя окружающими электронами, создавая дополнительный2,04 МэВ , полная энергия, выделяющаяся за один цикл, равна 26,73 МэВ; в некоторых текстах авторы ошибочно включают энергию аннигиляции позитрона в число добротностей бета-распада , а затем пренебрегают равным количеством энергии, выделяемой при аннигиляции, что приводит к возможной путанице. Все значения рассчитаны со ссылкой на оценку атомной массы 2003 года. [17]
Лимитирующей (самой медленной) реакцией в цикле CNO-I является захват протона на14
7Н
. В 2006 году она была экспериментально измерена до звездной энергии, что изменило расчетный возраст шаровых скоплений примерно на 1 миллиард лет. [18]
Нейтрино , испускаемые при бета-распаде, будут иметь спектр энергетических диапазонов, потому что, хотя импульс сохраняется , импульс может быть каким-либо образом разделен между позитроном и нейтрино, при этом один из них испускается в состоянии покоя, а другой забирает полную энергию, или что-то еще. между ними, пока используется вся энергия Q-значения. Суммарный импульс, полученный позитроном и нейтрино, недостаточно велик, чтобы вызвать значительную отдачу гораздо более тяжелого дочернего ядра [a] , и, следовательно, его вклад в кинетическую энергию продуктов, для точности приведенных здесь значений, может быть равен пренебрегают. Таким образом, нейтрино, испускаемое при распаде азота-13, может иметь энергию от нуля до1,20 МэВ , а нейтрино, испускаемое при распаде кислорода-15, может иметь энергию от нуля до1,73 МэВ . В среднем около 1,7 МэВ от общего энерговыделения нейтрино забирают за каждый цикл цикла, оставляя околоДля создания светимости доступно 25 МэВ . [19]
В малой ветви вышеупомянутой реакции, происходящей в ядре Солнца в 0,04% времени, последняя реакция включает15
7Н
показанное выше не производит углерод-12 и альфа-частицу, а вместо этого производит кислород-16 и фотон и продолжает
В деталях:
Подобно углероду, азоту и кислороду, участвующим в основной ветви, фтор, образующийся в второстепенной ветви, является всего лишь промежуточным продуктом; в установившемся состоянии он не накапливается в звезде.
Эта субдоминантная ветвь значима 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.
В деталях:
Как и CNO-III, эта ветвь значима только для массивных звезд. Реакции начинаются, когда одна из реакций в CNO-III приводит к образованию фтора-19 и фотона вместо азота-15 и альфа-частицы и продолжается.
В деталях:
В некоторых случаях18
9Ф
может объединиться с ядром гелия, чтобы начать цикл натрий-неон. [20]
В условиях более высокой температуры и давления, например, в новых и рентгеновских вспышках , скорость захвата протонов превышает скорость бета-распада, сдвигая горение к линии капель протонов . Основная идея заключается в том, что радиоактивные частицы захватят протон до того, как он сможет бета-распасть, открывая новые пути ядерного горения, которые иначе были бы недоступны. Из-за более высоких температур эти каталитические циклы обычно называют горячими циклами CNO; поскольку временные рамки ограничены бета-распадами, а не захватом протонов , их также называют бета-ограниченными циклами CNO. [ нужны разъяснения ]
Разница между циклом CNO-I и циклом HCNO-I заключается в том, что13
7Н
захватывает протон вместо распада, что приводит к полной последовательности
В деталях:
Заметное различие между циклом CNO-II и циклом HCNO-II заключается в том, что17
9Ф
захватывает протон, а не распадается, и в последующей реакции на нем образуется неон.18
9Ф
, что приводит к полной последовательности
В деталях:
Альтернативой циклу HCNO-II является то, что18
9Ф
захватывает протон, движущийся в сторону большей массы и использующий тот же механизм производства гелия, что и цикл CNO-IV, что и
В деталях:
В то время как общее число «каталитических» ядер сохраняется в цикле, в звездной эволюции относительные пропорции ядер изменяются. Когда цикл доводится до равновесия, соотношение ядер углерода-12/углерода-13 доводится до 3,5, и азот-14 становится самым многочисленным ядром, независимо от исходного состава. Во время эволюции звезды эпизоды конвективного перемешивания перемещают материал, в котором действовал цикл CNO, из недр звезды на поверхность, изменяя наблюдаемый состав звезды. Наблюдается, что звезды красных гигантов имеют более низкие соотношения углерода-12/углерода-13 и углерода-12/азота-14, чем звезды главной последовательности , что считается убедительным доказательством существования цикла CNO. [21]
Таким образом, этот результат открывает путь к прямому измерению металличности Солнца с использованием нейтрино CNO. Наши результаты количественно определяют, что относительный вклад синтеза CNO на Солнце составляет порядка 1 процента;
Покар отмечает: «Подтверждение того, что CNO горит на нашем Солнце, где его мощность составляет всего один процент, укрепляет нашу уверенность в том, что мы понимаем, как работают звезды».
