Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из процесса Triple alpha )
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Горение гелия» перенаправляется сюда. Не следует путать с альфа-процессом .
Обзор процесса тройного альфа.
Логарифм относительного выхода энергии (ε) процессов протон-протонного (PP), CNO и Triple-α синтеза при различных температурах (T). Пунктирной линией показано комбинированное генерирование энергии процессами PP и CNO внутри звезды. При температуре ядра Солнца процесс полипропилена более эффективен.

Процесс тройного альфа - это набор реакций ядерного синтеза, в результате которых три ядра гелия-4 ( альфа-частицы ) превращаются в углерод . [1] [2]

Тройной альфа-процесс в звездах [ править ]

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

В реакции ядерного синтеза двух ядер гелия-4 образуется бериллий-8 , который очень нестабилен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада8.19 × 10 -17  с , если в течение этого времени , а третий предохранители альфа - частицы с ядром бериллия-8, чтобы произвести возбужденное резонансное состояние углерода-12 , [3] называется состояние Hoyle , который почти всегда распадается обратно в трех альфа - частиц , но примерно в 2421,3 раза высвобождает энергию и превращается в стабильную основную форму углерода-12. [4] Когда у звезды заканчивается водород для плавления в ее ядре, она начинает сжиматься и нагреваться. Если центральная температура повышается до 10 8 К, [5] В шесть раз горячее, чем ядро ​​Солнца, альфа-частицы могут сливаться достаточно быстро, чтобы преодолеть барьер бериллия-8 и произвести значительное количество стабильного углерода-12.

4
2Он
 + 4
2Он
 → 8
4Быть
 (-0,0918 МэВ)
8
4Быть
 + 4
2Он
 → 12
6C
 + 2
γ
 (+7,367 МэВ)

Чистое выделение энергии в процессе составляет 7,275 МэВ.

В качестве побочного эффекта процесса некоторые ядра углерода сливаются с дополнительным гелием с образованием стабильного изотопа кислорода и энергии:

12
6C
 + 4
2Он
 → 16
8О
 +
γ
 (+7,162 МэВ)

В реакциях ядерного синтеза гелия с водородом образуется 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 создавать более тяжелые элементы в цепочке звездного нуклеосинтеза, известной как альфа-процесс , но эти реакции имеют значение 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 основными «золами» при горении гелия-4.

Первородный углерод [ править ]

Основная статья: Нуклеосинтез Большого взрыва

Процесс тройного альфа неэффективен при давлениях и температурах в начале Большого взрыва . Одним из следствий этого является то, что во время Большого взрыва не образовалось значительного количества углерода.

Резонансы [ править ]

Обычно вероятность тройного альфа-процесса чрезвычайно мала. Однако основное состояние бериллия-8 почти точно соответствует энергии двух альфа-частиц. На втором этапе, 8 Be + 4 Он имеет почти точно энергию в возбужденном состоянии от 12 С . Этот резонанс значительно увеличивает вероятность того, что входящая альфа-частица соединится с бериллием-8 с образованием углерода. Существование этого резонанса предсказал Фред Хойл.до его фактического наблюдения, основанного на физической необходимости его существования для образования углерода в звездах. Предсказание, а затем открытие этого энергетического резонанса и процесса оказали очень существенную поддержку гипотезе Хойла о звездном нуклеосинтезе , согласно которой все химические элементы были первоначально образованы из водорода, истинной изначальной субстанции. Антропный принцип был процитирован объяснить тот факт , что ядерные резонансы чутко расположены , чтобы создать большое количество углерода и кислорода во Вселенной. [6] [7]

Нуклеосинтез тяжелых элементов [ править ]

При дальнейшем повышении температуры и плотности в процессе синтеза образуются нуклиды только до никеля-56 (который позже распадается до железа ); более тяжелые элементы (помимо 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 сверхновых с коллапсом ядра и слиянии нейтронных звезд . [8]

Скорость реакции и звездная эволюция [ править ]

Шаги тройного альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного материала. Мощность, выделяемая при реакции, приблизительно пропорциональна температуре в 40-й степени и квадрату плотности. [9] Напротив, протон-протонная цепная реакция производит энергию со скоростью, пропорциональной четвертой степени температуры, цикл CNO - примерно с 17-й степенью температуры, и обе линейно пропорциональны плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздней стадии звездной эволюции, стадии красных гигантов .

Для звезд меньшей массы 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 масса становится достаточно высокой, по всему ядру начинается термоядерный синтез через скорость тройного альфа-процесса. Ядро не может расширяться в ответ на увеличение производства энергии, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы снять вырождение. Как следствие, температура увеличивается, вызывая повышенную скорость реакции в цикле положительной обратной связи, который становится неуправляемой реакцией. Этот процесс, известный как гелиевая вспышка, длится считанные секунды, но сжигает 60–80% гелия в активной зоне. Во время основной вспышки, звезды производство энергии может достигать примерно 10 11 солнечной светимости , которая сравнима с яркостью целой галактики , [10]хотя на поверхности сразу не будет наблюдаться никаких эффектов, поскольку вся энергия используется для подъема активной зоны из вырожденного в нормальное, газообразное состояние. Поскольку ядро ​​больше не является вырожденным, снова устанавливается гидростатическое равновесие, и звезда начинает «сжигать» гелий в своем ядре и водород в сферическом слое над ядром. Звезда входит в фазу устойчивого горения гелия, которая длится около 10% времени, которое она провела на главной последовательности (ожидается, что наше Солнце будет сжигать гелий в своем ядре в течение примерно миллиарда лет после гелиевой вспышки). [11]

У более массивных звезд углерод собирается в ядре, вытесняя гелий в окружающую оболочку, где происходит горение гелия. 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 повышенное тепловое давление 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 изменяющийся радиус и выработку энергии. Эти звезды также будут терять материал из своих внешних слоев, поскольку они расширяются и сжимаются. [ необходима цитата ]

Открытие [ править ]

Тройной альфа-процесс сильно зависит от углерода-12 и бериллия-8, имеющих резонансы с немного большей энергией, чем у гелия-4 . Основываясь на известных резонансах, к 1952 году казалось невозможным для обычных звезд производить углерод так же, как и любые более тяжелые элементы. [12] Ядерный физик Уильям Альфред Фаулер отметил резонанс бериллия-8, а Эдвин Солпитер рассчитал скорость реакции для нуклеосинтеза Be-8, C-12 и O-16 с учетом этого резонанса. [13] [14] Однако Солпитер подсчитал, что красные гиганты сжигали гелий при температуре 2 · 10 8К или выше, в то время как другие недавние работы выдвинули гипотезу о том, что температура ядра красного гиганта составляет 1,1 · 10 8 К.

В статье Солпитера мимоходом упоминалось о влиянии неизвестных резонансов в углероде-12 на его расчеты, но автор так и не развил их. Вместо этого астрофизик Фред Хойл в 1953 году использовал содержание углерода-12 во Вселенной в качестве доказательства существования резонанса углерода-12. Единственный способ, которым Хойл смог найти, что произведет изобилие и углерода, и кислорода, - это тройной альфа-процесс с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ, который также устранил бы расхождения в расчетах Солпитера. [12]

Хойл пошел 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 около 7,5 МэВ. [12] ) Смелость Фреда Хойла в этом поразительна, и поначалу ядерные физики в лаборатории были настроены скептически. Наконец, молодой физик Уорд Уэйлинг , только что из Университета Райса , который искал проект, решил поискать резонанс. Фаулер разрешил китобойному промыслу использовать старый генератор Ван де Граафаэто не использовалось. 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 Whaling на летнем собрании Американского физического общества . Вскоре последовало долгое и плодотворное сотрудничество между Хойлом и Фаулером, и Фаулер даже приехал в Кембридж. [15]

Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Так как состояние Хойла предсказывалось как состояние 0+ или 2+, ожидалось, что будут видны электрон-позитронные пары или гамма-лучи . Однако, когда проводились эксперименты, канал реакции гамма-излучения не наблюдался, и 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, потому что их объединенные спины (0) могут взаимодействовать с реакцией, имеющей изменение углового момента на 0. [16]

Невероятность и точная настройка [ править ]

Основная статья: Точно настроенная вселенная

Углерод - необходимый компонент всей известной жизни. 12 C, стабильный изотоп углерода, в большом количестве вырабатывается звездами благодаря трем факторам:

  1. Время распада ядра 8 Be на четыре порядка больше, чем время рассеяния двух ядер 4 He (альфа-частиц). [17]
  2. Возбужденное состояние ядра 12 C существует немного (0,3193 МэВ) выше энергетического уровня 8 Be + 4 He. Это необходимо, потому что основное состояние 12 C на 7,3367 МэВ ниже энергии 8 Be + 4 He. Следовательно, ядро 8 Be и ядро 4 He не могут разумно слиться непосредственно с ядром 12 C в основном состоянии . Возбужденное состояние Хойла 12 C на 7,656 МэВ выше основного состояния 12 C. Это позволяет 8 Be и 4 He использовать кинетическую энергию их столкновения для слияния с возбужденным 12.C, который затем может перейти в свое стабильное основное состояние. Согласно одному расчету, уровень энергии этого возбужденного состояния должен составлять примерно от 7,3 до 7,9 МэВ, чтобы производить достаточно углерода для существования жизни, и должен быть дополнительно «настроен» на уровень от 7,596 МэВ до 7,716 МэВ, чтобы произвести обильный уровень 12 C наблюдается в природе. [18]
  3. В реакции 12 C + 4 He → 16 O существует возбужденное состояние кислорода, которое, если бы оно было немного выше, обеспечило бы резонанс и ускорило реакцию. В этом случае в природе будет недостаточно углерода; почти все это превратилось бы в кислород. [17]

Некоторые ученые утверждают, что резонанс Хойла 7,656 МэВ, в частности, вряд ли является результатом простой случайности. Фред Хойл утверждал в 1982 году, что резонанс Хойла был свидетельством «суперинтеллекта»; [12] Леонард Сасскинд в «Космическом ландшафте» отвергает аргумент Хойла о разумном замысле . [19] Вместо того , некоторые ученые считают , что разные вселенные, части обширного « мультивселенной », имеют различные фундаментальные константы: [20] в соответствии с этой спорной тонкой настройкиСогласно гипотезе, жизнь может развиваться только в меньшинстве вселенных, где фундаментальные константы точно настроены для поддержки существования жизни. Другие ученые отвергают гипотезу мультивселенной из-за отсутствия независимых доказательств. [21]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Аппенцеллер; Харвит; Киппенхан; Strittmatter; Trimble, 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. ^ Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  4. ^ Проблема углерода , Мортен Хьорт-Йенсен, Департамент физики и прикладной математики, Университет Осло , N-0316 Осло, Норвегия: 9 мая 2011 г., Physics 4, 38
  5. ^ Уилсон, Роберт (1997). «Глава 11: Звезды - их рождение, жизнь и смерть». Астрономия на протяжении веков - история попытки человека понять Вселенную . Бейзингсток: Тейлор и Фрэнсис . ISBN 9780203212738.
  6. ^ Например, Джон Барроу ; Фрэнк Типлер (1986). Антропный космологический принцип .
  7. ↑ Фред Хойл, «Вселенная: размышления о прошлом и настоящем». Техника и наука , ноябрь 1981 г., стр. 8–12.
  8. ^ Пиан, E .; d'Avanzo, P .; Benetti, S .; Branchesi, M .; Brocato, E .; Campana, S .; Cappellaro, E .; Covino, S .; d'Elia, V .; Финбо, JPU; Гетман, Ф .; Ghirlanda, G .; Ghisellini, G .; Градо, А .; Греко, G .; Hjorth, J .; Kouveliotou, C .; Леван, А .; Limatola, L .; Malesani, D .; Mazzali, PA; Меландри, А .; Møller, P .; Nicastro, L .; Palazzi, E .; Piranomonte, S .; Росси, А .; Салафия, ОС; Selsing, J .; и другие. (2017). «Спектроскопическая идентификация нуклеосинтеза r-процесса в двойном слиянии нейтронных звезд». Природа . 551 (7678): 67–70. arXiv : 1710.05858 . Bibcode : 2017Natur.551 ... 67P . DOI : 10.1038 / nature24298 . PMID 29094694 .
  9. ^ Кэрролл, Брэдли У .; Остли, Дейл А. (2006). Введение в современную астрофизику (2-е изд.). Аддисон-Уэсли, Сан-Франциско. С. 312–313. ISBN 978-0-8053-0402-2.
  10. ^ Кэрролл, Брэдли У .; Остли, Дейл А. (2006). Введение в современную астрофизику (2-е изд.). Аддисон-Уэсли, Сан-Франциско. С. 461–462. ISBN 978-0-8053-0402-2.
  11. ^ "Конец Солнца" . faculty.wcas.northwestern.edu . Проверено 29 июля 2020 .
  12. ^ a b c d Kragh, Helge (2010) Когда предсказание является антропным? Фред Хойл и углеродный резонанс 7,65 МэВ. http://philsci-archive.pitt.edu/5332/
  13. Перейти ↑ Salpeter, EE (1952). «Ядерные реакции в звездах без водорода». Астрофизический журнал . 115 : 326–328. Bibcode : 1952ApJ ... 115..326S . DOI : 10.1086 / 145546 .
  14. Перейти ↑ Salpeter, EE (2002). «Универсал оглядывается назад». Анну. Rev. Astron. Astrophys . 40 : 1–25. Bibcode : 2002ARA & A..40 .... 1S . DOI : 10.1146 / annurev.astro.40.060401.093901 .
  15. ^ Фред Хойл, Жизнь в науке , Саймон Миттон, Cambridge University Press, 2011, страницы 205–209.
  16. ^ Кук, телеканал; Fowler, W .; Lauritsen, C .; Лауритсен, Т. (1957). «12B, 12C и Красные гиганты». Физический обзор . 107 (2): 508–515. Bibcode : 1957PhRv..107..508C . DOI : 10.1103 / PhysRev.107.508 .
  17. ^ a b Узан, Жан-Филипп (апрель 2003 г.). «Фундаментальные константы и их вариации: наблюдательный и теоретический статус». Обзоры современной физики . 75 (2): 403–455. arXiv : hep-ph / 0205340 . Bibcode : 2003RvMP ... 75..403U . DOI : 10.1103 / RevModPhys.75.403 .
  18. ^ Ливио, М .; Hollowell, D .; Weiss, A .; Труран, JW (27 июля 1989 г.). «Антропное значение существования возбужденного состояния 12С». Природа . 340 (6231): 281–284. Bibcode : 1989Natur.340..281L . DOI : 10.1038 / 340281a0 .
  19. ^ Павлин, Джон (2006). «Вселенная, настроенная для жизни». Американский ученый . 94 (2): 168–170. DOI : 10.1511 / 2006.58.168 . JSTOR 27858743 . 
  20. ^ «Странно горящие звезды делают жизнь в мультивселенной более вероятной» . Новый ученый . 1 сентября 2016 . Проверено 15 января 2017 года .
  21. Перейти ↑ Barnes, Luke A (2012). «Тонкая настройка Вселенной для разумной жизни» . Публикации Астрономического общества Австралии . 29 (4): 529–564. Bibcode : 2012PASA ... 29..529B . DOI : 10.1071 / as12015 .