Тройной альфа-процесс - Triple-alpha process

«Горение гелия» перенаправляется сюда. Не следует путать с альфа-процесс.
Обзор процесса тройного альфа.
Логарифм относительного выхода энергии (ε) протон-протон (ПП), CNO и Тройной-α термоядерные процессы при разных температурах (Т). Пунктирной линией показано совместное генерирование энергии процессами PP и CNO внутри звезды. При температуре ядра Солнца процесс полипропилена более эффективен.

В тройной альфа-процесс это набор термоядерная реакция реакции, с помощью которых три гелий-4 ядра (альфа-частицы ) превращаются в углерод.[1][2]

Тройной альфа-процесс в звездах

Гелий накапливается в ядра звезд в результате протон-протонная цепная реакция и цикл углерод – азот – кислород.

Реакция ядерного синтеза двух ядер гелия-4 дает бериллий-8, который очень нестабилен и распадается на более мелкие ядра с периодом полураспада 8.19×10−17 s, если в течение этого времени третья альфа-частица не сливается с ядром бериллия-8, чтобы произвести возбужденное резонанс состояние углерод-12,[3] называется Состояние Хойла, который почти всегда распадается обратно на три альфа-частицы, но примерно раз в 2421,3 раза выделяет энергию и превращается в стабильную основную форму углерода-12.[4]Когда у звезды заканчивается водород чтобы сплавиться в своей сердцевине, она начинает сжиматься и нагреваться. Если центральная температура поднимается до 108 K,[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, чтобы произвести стабильный изотоп кислорода и энергии:

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

Реакции ядерного синтеза гелия с водородом дают литий-5, который также очень нестабилен и распадается на более мелкие ядра с периодом полураспада 3.7×10−22 s.

Слияние с дополнительными ядрами гелия может создавать более тяжелые элементы в цепочке звездный нуклеосинтез известный как альфа-процесс, но эти реакции значительны 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 только небольшая часть этих элементов превращается в неон и более тяжелые элементы. Кислород и углерод являются основными «золами» при горении гелия-4.

Первородный углерод

Основная статья: Нуклеосинтез Большого взрыва

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

Резонансы

Обычно вероятность тройного альфа-процесса чрезвычайно мала. Однако основное состояние бериллия-8 почти точно соответствует энергии двух альфа-частиц. На втором этапе 8Быть + 4У него почти в точности энергия возбужденное состояние из 12C. Эта резонанс значительно увеличивает вероятность того, что входящая альфа-частица соединится с бериллием-8 с образованием углерода. Существование этого резонанса было предсказано 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 звездный нуклеосинтез, который утверждал, что все химические элементы были первоначально образованы из водорода, истинного изначального вещества. В антропный принцип был процитирован для объяснения того факта, что ядерные резонансы чувствительно устроены для создания большого количества углерода и кислорода во Вселенной.[6][7]

Нуклеосинтез тяжелых элементов

При дальнейшем повышении температуры и плотности процессы плавления производят нуклиды только до никель-56 (который позже распадается на утюг ); 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-процесс, что, вероятно, встречается в сверхновые с коллапсом ядра и нейтронные звезды слияния.[8]

Скорость реакции и звездная эволюция

Шаги с тройным альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного вещества. Мощность, выделяемая в результате 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 при 17-й степени температуры, и оба они линейно пропорциональны плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздней стадии звездной эволюции, т.е. красный гигант сцена.

Для звезд меньшей массы на Красный гигант филиал гелий, накапливающийся в активной зоне, предотвращается от дальнейшего коллапса только за счет электронное вырождение давление. Все вырожденное ядро ​​находится при одинаковых температуре и давлении, поэтому, когда его масса становится достаточно высокой, по всему ядру начинается термоядерный синтез через тройную альфа-скорость 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 убегай реакция. 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 1011 солнечная светимость что сравнимо с яркость целого галактика,[10] хотя на поверхности сразу не будет наблюдаться никаких эффектов, поскольку вся энергия используется для подъема активной зоны из вырожденного состояния в нормальное, газообразное. 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 примерно 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 давление 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 по мере расширения и сжатия.[нужна цитата ]

Открытие

Тройной альфа-процесс сильно зависит от углерод-12 и бериллий-8 имеющие резонансы с немного большей энергией, чем гелий-4. Основываясь на известных резонансах, к 1952 году казалось невозможным для обычных звезд производить углерод, а также любые более тяжелые элементы.[12] Физик-ядерщик Уильям Альфред Фаулер отметил резонанс бериллия-8, и Эдвин Солпитер рассчитали скорость реакции 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 · 108 K или выше, в то время как в других недавних работах предполагалось, что температура составляет 1,1 · 108 K - ядро ​​красного гиганта.

В статье Солпитера мимоходом упоминалось влияние неизвестных резонансов в углероде-12 на его расчеты, но автор так и не развил их. Вместо этого был астрофизик Фред Хойл которые в 1953 году использовали изобилие углерода-12 во Вселенной как доказательство 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 Калтех 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 при этом поразительна, и поначалу ядерные физики в лаборатории были настроены скептически. Наконец, младший физик, Ward Whaling, только что из Университет Райса, который искал проект решил искать резонанс. Фаулер разрешил китобойному промыслу использовать старую Генератор Ван де Граафа это 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 доклада, представленного Whaling на летнем собрании Американское физическое общество. 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). Поскольку Состояние Хойла было предсказано либо состояние 0+, либо состояние 2+, электрон-позитронные пары или гамма лучи ожидалось, что его увидят. Однако при проведении экспериментов канал реакции гамма-излучения не наблюдался, и это означало, что состояние должно быть состоянием 0+. Это состояние полностью подавляет однократное гамма-излучение, так как однократное гамма-излучение должно уносить не менее 1 единица углового момента. Производство пар из возбужденного состояния 0+ возможно, потому что их объединенные спины (0) могут взаимодействовать с реакцией с изменением углового момента на 0.[16]

Невероятность и тонкая настройка

Основная статья: Тонко настроенная вселенная

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

  1. Время распада 8Быть ядра на четыре порядка больше, чем время для двух 4Он ядра (альфа-частицы) разлетается.[17]
  2. Возбужденное состояние 12Ядро C существует немного (0,3193 МэВ) выше уровня энергии 8Быть + 4Он. Это необходимо, потому что основное состояние 12C на 7,3367 МэВ ниже энергии 8Быть + 4Он. Следовательно, 8Быть ядром и 4Ядро не может разумно слиться непосредственно в основное состояние 12Ядро C. Возбужденное состояние Хойла 12C на 7,656 МэВ выше основного состояния 12C. Это позволяет 8Быть и 4Он использовал кинетическую энергию их столкновения, чтобы слиться с возбужденным 12C, 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 произвести достаточно углерода для существования жизни, и должен быть дополнительно «настроен» на уровень от 7,596 МэВ до 7,716 МэВ, чтобы произвести обильный уровень 12C наблюдается в природе.[18]
  3. В реакции 12C + 4Он → 16О, есть 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 доказательством «суперинтеллекта»;[12] Леонард Сасскинд в Космический пейзаж отвергает Хойла умный дизайн аргумент.[19] Вместо этого некоторые ученые считают, что разные вселенные, части огромного "мультивселенная ", имеют разные фундаментальные константы:[20] в соответствии с этим спорным тонкая настройка Согласно 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]

использованная литература

  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 .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФК..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  4. ^ Углеродный вызов, Мортен Хьорт-Йенсен, Департамент физики и прикладной математики, Университет Осло, N-0316 Осло, Норвегия: 9 мая 2011 г., Физика 4, 38
  5. ^ Уилсон, Роберт (1997). «Глава 11: Звезды - их рождение, жизнь и смерть». Астрономия сквозь века история попытки человека понять вселенную. Бейсингстоук: Тейлор и Фрэнсис. ISBN  9780203212738.
  6. ^ Например, Джон Барроу; Фрэнк Типлер (1986). Антропный космологический принцип.
  7. ^ Фред Хойл, «Вселенная: размышления о прошлом и настоящем». Инженерия и наука, Ноябрь 1981 г., стр. 8–12.
  8. ^ Pian, E .; d'Avanzo, P .; Benetti, S .; Branchesi, M .; Brocato, E .; Campana, S .; Cappellaro, E .; Covino, S .; d'Elia, V .; Fynbo, J. P. U .; Гетман, Ф .; Ghirlanda, G .; Ghisellini, G .; Градо, А .; Греко, G .; Hjorth, J .; Kouveliotou, C .; Леван, А .; Limatola, L .; Malesani, D .; Mazzali, P.A .; Меландри, А .; Møller, P .; Nicastro, L .; Palazzi, E .; Piranomonte, S .; Росси, А .; Салафия, О. С .; Selsing, J .; и другие. (2017). «Спектроскопическая идентификация нуклеосинтеза r-процесса в двойном слиянии нейтронных звезд». Природа. 551 (7678): 67–70. arXiv:1710.05858. Bibcode:2017Натура 551 ... 67С. Дои:10.1038 / природа24298. 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. Получено 2020-07-29.
  12. ^ а б c d Kragh, Helge (2010) Когда предсказание становится антропным? Фред Хойл и углеродный резонанс 7,65 МэВ. http://philsci-archive.pitt.edu/5332/
  13. ^ Солпитер, Э. Э. (1952). «Ядерные реакции в звездах без водорода». Астрофизический журнал. 115: 326–328. Bibcode:1952ApJ ... 115..326S. Дои:10.1086/145546.
  14. ^ Солпитер, Э. Э. (2002). «Универсал оглядывается назад». Анну. Rev. Astron. Астрофизики. 40: 1–25. Bibcode:2002ARA&A..40 .... 1S. Дои:10.1146 / annurev.astro.40.060401.093901.
  15. ^ Фред Хойл, Жизнь в науке, Саймон Миттон, Издательство Кембриджского университета, 2011 г., стр. 205–209.
  16. ^ Повар, CW; Fowler, W .; Lauritsen, C .; Лауритсен, Т. (1957). «12B, 12C и Красные гиганты». Физический обзор. 107 (2): 508–515. Bibcode:1957ПхРв..107..508С. Дои:10.1103 / PhysRev.107.508.
  17. ^ а б 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:2003РвМП ... 75..403У. Дои:10.1103 / RevModPhys.75.403.
  18. ^ Ливио, М .; Hollowell, D .; Weiss, A .; Труран, Дж. У. (27 июля 1989 г.). «Антропное значение существования возбужденного состояния 12С». Природа. 340 (6231): 281–284. Bibcode:1989Натура. 340..281л. Дои:10.1038 / 340281a0.
  19. ^ Павлин, Джон (2006). «Вселенная, настроенная на жизнь». Американский ученый. 94 (2): 168–170. Дои:10.1511/2006.58.168. JSTOR  27858743.
  20. ^ «Странно горящие звезды делают жизнь в мультивселенной более вероятной». Новый ученый. 1 сентября 2016 г.. Получено 15 января 2017.
  21. ^ Барнс, Люк А (2012). «Тонкая настройка вселенной для разумной жизни». Публикации Астрономического общества Австралии. 29 (4): 529–564. Bibcode:2012PASA ... 29..529B. Дои:10.1071 / as12015.