Тройной альфа-процесс
Процесс тройного альфа представляет собой набор реакций ядерного синтеза , в ходе которых три ядра гелия-4 ( альфа-частицы ) превращаются в углерод . [1] [2]
Процесс тройного альфа в звездах
[ редактировать ]
Гелий накапливается в ядрах звезд в результате протон-протонной цепной реакции и цикла углерод-азот-кислород .
В результате реакции ядерного синтеза двух ядер гелия-4 образуется бериллий-8 , который очень нестабильен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада 8,19 × 10. −17 с , если за это время третья альфа-частица не сольется с ядром бериллия-8. [3] для создания возбужденного резонансного состояния углерода-12 , [4] называемое состоянием Хойла , которое почти всегда распадается обратно на три альфа-частицы, но примерно раз в 2421,3 раза высвобождает энергию и превращается в стабильную базовую форму углерода-12. [5] Когда в ядре звезды заканчивается водород для плавления, она начинает сжиматься и нагреваться. Если центральная температура повысится до 10 8 К, [6] Альфа-частицы, в шесть раз более горячие, чем ядро Солнца, могут сливаться достаточно быстро, чтобы преодолеть барьер из бериллия-8 и произвести значительное количество стабильного углерода-12.
Чистое энерговыделение процесса составляет 7,275 МэВ.
В качестве побочного эффекта этого процесса некоторые ядра углерода сливаются с дополнительным гелием, образуя стабильный изотоп кислорода и энергию:
Реакции ядерного синтеза гелия с водородом производят литий-5 , который также очень нестабилен и распадается обратно на более мелкие ядра с периодом полураспада 3,7 × 10. −22 с .
Слияние с дополнительными ядрами гелия может создать 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 большое количество углерода и кислорода, но лишь небольшая часть этих элементов превращается в неон и более тяжелые элементы. Кислород и углерод являются основной «золой» горения гелия-4.
Первичный углерод
[ редактировать ]Процесс тройного альфа неэффективен при давлениях и температурах в начале Большого взрыва . Одним из последствий этого является то, что при Большом взрыве не было произведено значительного количества углерода.
Резонансы
[ редактировать ]Обычно вероятность процесса тройного альфа чрезвычайно мала. Однако основное состояние бериллия-8 имеет почти такую же энергию, как две альфа-частицы. На втором этапе 8 Будь + 4 Он имеет почти такую же энергию, как возбужденное состояние . 12 С. Этот резонанс значительно увеличивает вероятность того, что приближающаяся альфа-частица соединится с бериллием-8 с образованием углерода. Существование этого резонанса было предсказано Фредом Хойлом еще до его фактического наблюдения, исходя из физической необходимости его существования для образования углерода в звездах. Предсказание, а затем открытие этого энергетического резонанса и процесса дало очень существенную поддержку гипотезе Хойла о звездном нуклеосинтезе , которая постулировала, что все химические элементы изначально образовались из водорода, истинного первичного вещества. Антропный принцип был использован для объяснения того факта, что ядерные резонансы чувствительны к созданию большого количества углерода и кислорода во Вселенной. [7] [8]
Нуклеосинтез тяжелых элементов
[ редактировать ]При дальнейшем повышении температуры и плотности в процессах синтеза образуются нуклиды только до никеля-56 (который позже распадается на железо ); более тяжелые элементы (кроме 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 коллапсе ядра сверхновых и слиянии нейтронных звезд . [9]
Скорость реакции и звездная эволюция
[ редактировать ]Ступени тройного альфа сильно зависят от температуры и плотности звездного материала. Мощность, выделяющаяся при реакции, примерно пропорциональна температуре в 40-й степени и квадрату плотности. [10] Напротив, протон-протонная цепная реакция производит энергию со скоростью, пропорциональной четвертой степени температуры, цикл CNO - примерно с 17-й степенью температуры, и обе они линейно пропорциональны плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздней стадии звездной эволюции, стадии красных гигантов .
Для звезд с меньшей массой на ветви красных гигантов гелий, накапливающийся в ядре, предотвращается от дальнейшего коллапса только давлением электронного вырождения . Все вырожденное ядро имеет одинаковую температуру и давление, поэтому, когда его плотность становится достаточно высокой, во всем ядре начинается термоядерный синтез с помощью процесса тройного альфа. Ядро неспособно расширяться в ответ на увеличение производства энергии до тех пор, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы снять вырождение. Как следствие, температура увеличивается, вызывая увеличение скорости реакции в цикле положительной обратной связи, которая становится неконтролируемой реакцией. Этот процесс, известный как гелиевая вспышка , длится несколько секунд, но сжигает 60–80% гелия в ядре. звезды Во время вспышки ядра производство энергии может достигать примерно 10 11 солнечная светимость , сравнимая со светимостью целой галактики , [11] хотя на поверхности сразу никаких эффектов наблюдаться не будет, так как вся энергия уходит на подъем ядра из вырожденного состояния в нормальное, газообразное. Поскольку ядро больше не вырождается, гидростатическое равновесие снова устанавливается, и звезда начинает «сжигать» гелий в своем ядре и водород в сферическом слое над ядром. Звезда вступает в фазу устойчивого горения гелия, которая длится около 10% времени, которое она провела на главной последовательности (ожидается, что Солнце будет сжигать гелий в своем ядре в течение примерно миллиарда лет после гелиевой вспышки). [12]
В звездах с более высокой 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, в результате чего образуется промежуточная гелиевая оболочка. Однако границы этих оболочек не смещаются наружу с одинаковой скоростью из-за разных критических температур и температурной чувствительности горения водорода и гелия. Когда температура на внутренней границе гелиевой оболочки перестает быть достаточно высокой для поддержания горения гелия, ядро сжимается и нагревается, в то время как водородная оболочка (и, следовательно, радиус звезды) расширяется наружу. Сжатие ядра и расширение оболочки продолжаются до тех пор, пока ядро не станет достаточно горячим, чтобы повторно воспламенить окружающий гелий. Этот процесс продолжается циклически – с периодом порядка 1000 лет – и звезды, претерпевающие этот процесс, имеют периодически переменную светимость. Эти звезды также теряют материал из своих внешних слоев в звездном ветре, вызванном радиационным давлением , что в конечном итоге становится суперветра , когда звезда входит в фазу планетарной туманности . [13]
Открытие
[ редактировать ]Процесс тройного альфа сильно зависит от углерода-12 и бериллия-8, имеющих резонансы с немного большей энергией, чем у гелия-4 . Судя по известным резонансам, к 1952 году казалось невозможным, чтобы обычные звезды производили углерод, а также любой более тяжелый элемент. [14] Физик-ядерщик Уильям Альфред Фаулер отметил резонанс бериллия-8, а Эдвин Солпитер рассчитал скорость реакции 8 Быть, 12 С и 16 О нуклеосинтез с учетом этого резонанса. [15] [16] Однако Солпитер подсчитал, что красные гиганты сжигают гелий при температуре 2·10 8 К или выше, тогда как в других недавних работах предполагалось, что температура будет всего 1,1·10. 8 K — ядро красного гиганта.
В статье Солпитера вскользь упоминалось о влиянии, которое неизвестные резонансы в углероде-12 окажут на его расчеты, но автор никогда не развивал их. Вместо этого астрофизик Фред Хойл в 1953 году использовал обилие углерода-12 во Вселенной как доказательство существования резонанса углерода-12. Единственный способ, которым Хойл смог найти способ получения большого количества углерода и кислорода, - это процесс тройного альфа с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ, что также устранило бы несоответствие в расчетах Солпитера. [14]
Хойл отправился 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 при энергии около 7,5 МэВ. [14] Смелость Фреда Хойла в этом поразительна, 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 несколько месяцев спустя лаборатория Фаулера обнаружила резонанс углерода-12 около 7,65 МэВ, подтвердив его предсказание. Физики-ядерщики назначили Хойла первым автором статьи, представленной Уэйлингом на летнем собрании Американского физического общества . Вскоре последовало долгое и плодотворное сотрудничество между Хойлом и Фаулером, и Фаулер даже приехал в Кембридж. [17]
Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Поскольку было предсказано, что состояние Хойла будет состоянием 0+ или 2+, электрон-позитронные пары или гамма-лучи ожидалось, что будут видны . Однако при проведении экспериментов канал реакции гамма-излучения не наблюдался, а 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, поскольку их объединенные спины (0) могут взаимодействовать с реакцией, изменение углового момента которой равно 0. [18]
Невероятность и точная настройка
[ редактировать ]Углерод является необходимым компонентом всей известной жизни. 12 C, стабильный изотоп углерода, обильно вырабатывается в звездах благодаря трем факторам:
- Время жизни распада 8 Ядро Be на четыре порядка превышает время существования двух 4 Он ядра (альфа-частицы) рассеивать. [19]
- Возбужденное состояние 12 Ядро С существует немного (0,3193 МэВ) выше энергетического уровня 8 Будь + 4 Он. Это необходимо, поскольку основное состояние 12 C на 7,3367 МэВ ниже энергии 8 Будь + 4 Он; а 8 Будь ядром и 4 Ядро не может разумно перейти непосредственно в основное состояние. 12 Ядро С. Однако, 8 Будь и 4 Он использует кинетическую энергию их столкновения, чтобы слиться в возбужденное 12 C (кинетическая энергия обеспечивает дополнительные 0,3193 МэВ, необходимые для достижения возбужденного состояния), которое затем может перейти в стабильное основное состояние. Согласно одному расчету, энергетический уровень этого возбужденного состояния должен находиться 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 наблюдается в природе. [20] Было измерено, что состояние Хойла находится примерно на 7,65 МэВ выше основного состояния 12 С. [21]
- В реакции 12 С + 4 Он → 16 О, существует возбужденное состояние кислорода, которое, если бы оно было немного выше, обеспечило бы резонанс и ускорило бы реакцию. В этом случае в природе будет существовать недостаточно углерода; почти весь он превратился бы в кислород. [19]
Некоторые ученые утверждают, что, в частности, резонанс Хойла с энергией 7,656 МэВ вряд ли является продуктом простой случайности. Фред Хойл утверждал в 1982 году, что резонанс Хойла был свидетельством существования «сверхразума»; [14] Леонард Сасскинд в «Космическом ландшафте» отвергает аргумент Хойла об разумном замысле . [22] Вместо этого некоторые ученые полагают, 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 точно настроены для поддержания существования жизни. Другие ученые отвергают гипотезу мультивселенной из-за отсутствия независимых доказательств. [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аппенцелль; Харвит; кран; Стриттматтер; Тримбл, ред. (1998). Астрофизическая библиотека (3-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер.
- ^ Кэрролл, Брэдли В. и Остли, Дейл А. (2007). Введение в современную звездную астрофизику . Аддисон Уэсли, Сан-Франциско. ISBN 978-0-8053-0348-3 .
- ^ Бохан, Элиза; Динвидди, Роберт; Чаллонер, Джек; Стюарт, Колин; Харви, Дерек; Рэгг-Сайкс, Ребекка ; Крисп, Питер ; Хаббард, Бен; Паркер, Филипп; и др. (Писатели) (февраль 2016 г.). Большая История . Предисловие Дэвида Кристиана (1-е американское изд.). Нью-Йорк : ДК . п. 58. ИСБН 978-1-4654-5443-0 . OCLC 940282526 .
- ^ Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Бибкод : 2017ChPhC..41c0001A . дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 .
- ^ Углеродная проблема , Мортен Хьорт-Йенсен, факультет физики и Центр прикладной математики, Университет Осло , N-0316 Осло, Норвегия: 9 мая 2011 г., Physics 4, 38
- ^ Уилсон, Роберт (1997). «Глава 11: Звезды - их рождение, жизнь и смерть». Астрономия на протяжении веков – это история попыток человека понять Вселенную . Бейзингсток: Тейлор и Фрэнсис . ISBN 9780203212738 .
- ^ Например, Джон Барроу ; Фрэнк Типлер (1986). Антропный космологический принцип .
- ^ Фред Хойл, «Вселенная: размышления прошлого и настоящего». Engineering and Science , ноябрь 1981 г., стр. 8–12.
- ^ Пиан, Э.; Аванзо, П.; Бенетти, С.; Бранчези, М.; Брокато, Э.; Белл, С.; Каппелларо, Э.; Ковино, С.; д'Элия, В.; Финбо, JPU; Гетман Ф.; Гарланд, Г.; Гизеллини, Дж.; Степень, А.; Греко, Г.; Хьорт, Дж.; Кувелиоту, К.; Леван, А.; Лиматола, Л.; Малесони, Д.; Убей их, 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 при двойном слиянии нейтронных звезд». Природа . 551 (7678): 67–70. arXiv : 1710.05858 . Бибкод : 2017Natur.551...67P . дои : 10.1038/nature24298 . ПМИД 29094694 . S2CID 3840214 .
- ^ Кэрролл, Брэдли В.; Остли, Дейл А. (2006). Введение в современную астрофизику (2-е изд.). Аддисон-Уэсли, Сан-Франциско. стр. 312–313. ISBN 978-0-8053-0402-2 .
- ^ Пряльник, Дина (2006). Введение в теорию звездной структуры и эволюции (2-е изд.). Аддисон-Уэсли, Сан-Франциско. стр. 461–462. ISBN 978-0-8053-0402-2 .
- ^ «Конец Солнца» . факультет.wcas.northwestern.edu . Проверено 29 июля 2020 г.
- ^ Кэрролл, Брэдли В.; Остли, Дейл А. (2010). «Тепловые импульсы и асимптотическая гигантская ветвь». Введение в современную астрофизику (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 168–173. ISBN 9780521866040 .
- ^ Jump up to: а б с д Краг, Хельге (2010) Когда предсказание является антропным? Фред Хойл и углеродный резонанс с энергией 7,65 МэВ. http://philsci-archive.pitt.edu/5332/
- ^ Солпитер, Э.Э. (1952). «Ядерные реакции в звездах без водорода». Астрофизический журнал . 115 : 326–328. Бибкод : 1952ApJ...115..326S . дои : 10.1086/145546 .
- ^ Солпитер, Э.Э. (2002). «Универсальный оглядывается назад». Анну. Преподобный Астрон. Астрофизика . 40 : 1–25. Бибкод : 2002ARA&A..40....1S . doi : 10.1146/annurev.astro.40.060401.093901 .
- ^ Фред Хойл, Жизнь в науке , Саймон Миттон, издательство Кембриджского университета, 2011, страницы 205–209.
- ^ Кук, CW; Фаулер, В.; Лауритсен, К.; Лауритсен, Т. (1957). «12B, 12C и красные гиганты». Физический обзор . 107 (2): 508–515. Бибкод : 1957PhRv..107..508C . дои : 10.1103/PhysRev.107.508 .
- ^ Jump up to: а б Узан, Жан-Филипп (апрель 2003 г.). «Фундаментальные константы и их изменение: наблюдательный и теоретический статус». Обзоры современной физики . 75 (2): 403–455. arXiv : hep-ph/0205340 . Бибкод : 2003РвМП...75..403У . дои : 10.1103/RevModPhys.75.403 . S2CID 118684485 .
- ^ Ливио, М.; Холлоуэлл, Д.; Вайс, А.; Труран, 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 .
- ^ Фрир, М.; Фынбо, ХОУ (2014). «Штат Хойла в 12 C" (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 от 18 июля 2022 г.
- ^ Пикок, Джон (2006). «Вселенная, настроенная на жизнь». Американский учёный . 94 (2): 168–170. дои : 10.1511/2006.58.168 . JSTOR 27858743 .
- ^ «Странное горение звезд делает жизнь в мультивселенной более вероятной» . Новый учёный . 1 сентября 2016 года . Проверено 15 января 2017 г.
- ^ Барнс, Люк А. (2012). «Тонкая настройка Вселенной для разумной жизни» . Публикации Астрономического общества Австралии . 29 (4): 529–564. arXiv : 1112.4647 . Бибкод : 2012PASA...29..529B . дои : 10.1071/as12015 .
