Trippel-alfa-process
Trippel -alfa-processen är en uppsättning kärnfusionsreaktioner genom vilka tre helium-4 kärnor ( alfapartiklar ) omvandlas till kol .
Trippel-alfaprocess i stjärnor
Helium ackumuleras i stjärnornas kärnor som ett resultat av proton–protonkedjereaktionen och kol–kväve–syrecykeln .
Kärnfusionsreaktion av två helium-4 kärnor producerar beryllium-8 , som är mycket instabil, och sönderfaller tillbaka till mindre kärnor med en halveringstid på 8,19 × 10 −17 s , om inte inom den tiden en tredje alfapartikel smälter samman med beryllium. -8 kärna för att producera ett exciterat resonanstillstånd av kol-12 , kallat Hoyle-tillståndet , som nästan alltid sönderfaller tillbaka till tre alfapartiklar, men en gång i cirka 2421,3 gånger frigör energi och ändras till den stabila basformen av kol-12. När en stjärna får slut på väte för att smälta samman i dess kärna, börjar den dra ihop sig och värmas upp. Om centraltemperaturen stiger till 10 8 K, sex gånger varmare än solens kärna, kan alfapartiklar smälta ihop tillräckligt snabbt för att ta sig förbi beryllium-8-barriären och producera betydande mängder stabilt kol-12.
Nettoenergiutsläppet för processen är 7,275 MeV.
Som en bieffekt av processen smälter vissa kolkärnor med ytterligare helium för att producera en stabil isotop av syre och energi:
Kärnfusionsreaktioner av helium med väte producerar litium-5, som också är mycket instabil, och sönderfaller tillbaka till mindre kärnor med en halveringstid på 3,7 × 10 −22 s .
Fusion med ytterligare heliumkärnor kan skapa tyngre grundämnen i en kedja av stjärnnukleosyntes som kallas alfaprocessen , men dessa reaktioner är bara signifikanta vid högre temperaturer och tryck än i kärnor som genomgår trippel-alfaprocessen. Detta skapar en situation där stjärnnukleosyntes producerar stora mängder kol och syre men endast en liten del av dessa grundämnen omvandlas till neon och tyngre grundämnen. Syre och kol är den huvudsakliga "askan" för helium-4-bränning.
Ursprungligt kol
Trippel-alfa-processen är ineffektiv vid tryck och temperaturer tidigt under Big Bang . En konsekvens av detta är att ingen betydande mängd kol producerades i Big Bang.
Resonanser
Vanligtvis är sannolikheten för trippel-alfa-processen extremt liten. Beryllium-8 grundtillståndet har dock nästan exakt energin från två alfapartiklar. I det andra steget, 8 Be + 4 Han har nästan exakt energin av ett exciterat tillstånd på 12 C . Denna resonans ökar avsevärt sannolikheten för att en inkommande alfapartikel kommer att kombineras med beryllium-8 för att bilda kol. Existensen av denna resonans förutspåddes av Fred Hoyle innan dess faktiska observation, baserat på den fysiska nödvändigheten för att den skulle existera, för att kol skulle bildas i stjärnor. Förutsägelsen och sedan upptäckten av denna energiresonans och -process gav mycket betydande stöd till Hoyles hypotes om stjärnnukleosyntes , som ansåg att alla kemiska element ursprungligen hade bildats av väte, den sanna ursubstansen. Den antropiska principen har citerats för att förklara det faktum att kärnresonanser är känsligt arrangerade för att skapa stora mängder kol och syre i universum.
Nukleosyntes av tunga grundämnen
Med ytterligare ökningar av temperatur och densitet producerar fusionsprocesser nuklider endast upp till nickel-56 (som sönderfaller senare till järn ); tyngre grundämnen (de bortom Ni) skapas huvudsakligen genom neutronfångning. Den långsamma infångningen av neutroner, s-processen , producerar ungefär hälften av grundämnena bortom järn. Den andra hälften produceras av snabb neutroninfångning, r-processen , som troligen inträffar i kärnkollapssupernovor och neutronstjärnefusioner .
Reaktionshastighet och stjärnutveckling
Trippelalfastegen är starkt beroende av temperaturen och densiteten hos stjärnmaterialet. Effekten som frigörs av reaktionen är ungefär proportionell mot temperaturen till 40:e potensen och densiteten i kvadrat. Däremot proton-protonkedjereaktionen energi med en hastighet som är proportionell mot temperaturens fjärde potens, CNO-cykeln vid ungefär den 17:e potensen av temperaturen, och båda är linjärt proportionella mot densiteten. Detta starka temperaturberoende får konsekvenser för det sena stadiet av stjärnutvecklingen, det röda jättestadiet .
För stjärnor med lägre massa på den röda jättegrenen förhindras heliumet som ackumuleras i kärnan från att kollapsa ytterligare endast av elektrondegenerationstryck . Hela den degenererade kärnan har samma temperatur och tryck, så när dess densitet blir tillräckligt hög startar fusion via trippel-alfa-processhastigheten genom hela kärnan. Kärnan kan inte expandera som svar på den ökade energiproduktionen förrän trycket är tillräckligt högt för att lyfta degenerationen. Som en konsekvens ökar temperaturen, vilket orsakar en ökad reaktionshastighet i en positiv återkopplingscykel som blir en skenande reaktion. Denna process, känd som heliumblixten , varar i några sekunder men bränner 60–80 % av heliumet i kärnan. Under kärnblixten kan stjärnans energiproduktion nå ungefär 10 11 solljusstyrkor vilket är jämförbart med ljusstyrkan för en hel galax , även om inga effekter omedelbart kommer att observeras vid ytan, eftersom hela energin förbrukas för att lyfta kärnan från det degenererade till normalt, gasformigt tillstånd. Eftersom kärnan inte längre är degenererad etableras återigen hydrostatisk jämvikt och stjärnan börjar "bränna" helium i sin kärna och väte i ett sfäriskt lager ovanför kärnan. Stjärnan går in i en stadig heliumförbränningsfas som varar ungefär 10 % av tiden den tillbringade på huvudsekvensen (solen förväntas bränna helium i sin kärna i ungefär en miljard år efter heliumblixten).
För stjärnor med högre massa samlas kol i kärnan och förskjuter heliumet till ett omgivande skal där heliumförbränning sker. I detta heliumskal är trycken lägre och massan stöds inte av elektrondegeneration. I motsats till mitten av stjärnan kan skalet alltså expandera som svar på ökat termiskt tryck i heliumskalet. Expansion kyler detta lager och saktar ner reaktionen, vilket får stjärnan att dra ihop sig igen. Denna process fortsätter cykliskt och stjärnor som genomgår denna process kommer att ha periodiskt variabel radie och kraftproduktion. Dessa stjärnor kommer också att förlora material från sina yttre skikt när de expanderar och drar ihop sig. [ citat behövs ]
Upptäckt
Trippel-alfa-processen är starkt beroende av att kol-12 och beryllium-8 har resonanser med något mer energi än helium-4 . Baserat på kända resonanser verkade det 1952 omöjligt för vanliga stjärnor att producera kol såväl som något tyngre element. Kärnfysikern William Alfred Fowler hade noterat beryllium-8-resonansen, och Edwin Salpeter hade beräknat reaktionshastigheten för 8 Be, 12 C och 16 O nukleosyntes med hänsyn till denna resonans. Salpeter beräknade dock att röda jättar brände helium vid temperaturer på 2·10 8 K eller högre, medan andra nya arbeten antog temperaturer så låga som 1,1·10 8 K för kärnan i en röd jätte.
Salpeters artikel nämnde i förbigående de effekter som okända resonanser i kol-12 skulle ha på hans beräkningar, men författaren följde aldrig upp dem. Det var istället astrofysikern Fred Hoyle som 1953 använde överflöd av kol-12 i universum som bevis för existensen av en kol-12-resonans. Det enda sättet Hoyle kunde hitta som skulle producera ett överflöd av både kol och syre var genom en trippel-alfa-process med en kol-12-resonans nära 7,68 MeV, vilket också skulle eliminera diskrepansen i Salpeters beräkningar.
Hoyle gick till Fowlers labb på Caltech och sa att det måste finnas en resonans på 7,68 MeV i kol-12-kärnan. (Det hade förekommit rapporter om ett upphetsat tillstånd vid cirka 7,5 MeV.) Fred Hoyles fräckhet att göra detta är anmärkningsvärt, och till en början var kärnfysikerna i labbet skeptiska. Slutligen bestämde sig en yngre fysiker, Ward Whaling, färsk från Rice University , som letade efter ett projekt för att leta efter resonansen. Fowler gav Whaling tillstånd att använda en gammal Van de Graaff-generator som inte användes. Hoyle var tillbaka i Cambridge när Fowlers labb upptäckte en kol-12-resonans nära 7,65 MeV några månader senare, vilket bekräftade hans förutsägelse. Kärnfysikerna satte Hoyle som första författare på ett papper som levererades av Whaling vid American Physical Societys sommarmöte . Ett långt och fruktbart samarbete mellan Hoyle och Fowler följde snart, och Fowler kom till och med till Cambridge.
Den slutliga reaktionsprodukten ligger i ett 0+-tillstånd (spin 0 och positiv paritet). Eftersom Hoyle-tillståndet förutspåddes vara antingen ett 0+ eller 2+ tillstånd, förväntades elektron-positronpar eller gammastrålar ses. Men när experiment utfördes observerades inte reaktionskanalen för gammaemission, vilket innebar att tillståndet måste vara ett 0+-tillstånd. Detta tillstånd undertrycker fullständigt enkel gammaemission, eftersom enstaka gammaemission måste bära bort minst 1 enhet vinkelmomentum . Parproduktion från ett exciterat 0+-tillstånd är möjligt eftersom deras kombinerade snurr (0) kan kopplas till en reaktion som har en förändring i rörelsemängd på 0.
Osannolikhet och finjustering
Kol är en nödvändig komponent i allt känt liv. 12 C, en stabil isotop av kol, produceras rikligt i stjärnor på grund av tre faktorer:
- Förfallslivslängden för en 8 Be -kärna är fyra storleksordningar större än tiden för två 4 He-kärnor (alfapartiklar) att spridas.
- Ett exciterat tillstånd av 12C -kärnan existerar lite (0,3193 MeV) över energinivån 8 Be + 4 He. Detta är nödvändigt eftersom grundtillståndet för 12 C är 7,3367 MeV under energin för 8 Be + 4 He; en 8 Be-kärna och en 4 He-kärna kan rimligen inte smälta samman direkt till en 12 C-kärna i grundtillstånd. Emellertid använder 8 Be och 4 He den kinetiska energin från deras kollision för att smälta samman till den exciterade 12 C (kinetisk energi levererar de ytterligare 0,3193 MeV som krävs för att nå det exciterade tillståndet), som sedan kan övergå till dess stabila marktillstånd. Enligt en beräkning måste energinivån för detta exciterade tillstånd vara mellan cirka 7,3 MeV och 7,9 MeV för att producera tillräckligt med kol för att liv ska existera, och måste ytterligare "finjusteras" till mellan 7,596 MeV och 7,716 MeV för att producera den rikliga nivån av 12 C som observerats i naturen. Hoyle-tillståndet har uppmätts till cirka 7,65 MeV över grundtillståndet på 12 C.
- I reaktionen 12 C + 4 He → 16 O finns ett exciterat tillstånd av syre som, om det vore något högre, skulle ge en resonans och påskynda reaktionen. I så fall skulle det inte finnas tillräckligt med kol i naturen; nästan allt skulle ha omvandlats till syre.
Vissa forskare hävdar att 7.656 MeV Hoyle-resonansen, i synnerhet, är osannolikt att vara produkten av ren slump. Fred Hoyle hävdade 1982 att Hoyle-resonansen var bevis på ett "superintellekt"; Leonard Susskind i The Cosmic Landscape avvisar Hoyles intelligenta designargument . Istället tror vissa forskare att olika universum, delar av ett stort " multiversum ", har olika fundamentala konstanter: enligt denna kontroversiella finjusteringshypotes kan livet bara utvecklas i minoriteten av universum där de grundläggande konstanterna råkar vara finjusterade att stödja livets existens. Andra forskare förkastar hypotesen om multiversum på grund av bristen på oberoende bevis.
