Гелийден көміртектің ядролық синтезі: Трижды альфа процесі

Кіріспе

Гелийді көміртекке айналдыратын ядролық синтез тізбегі.

Үш альфа процесі – үш гелий-4 ядросының (альфа бөлшектерінің) көміртекке айналуына себеп болатын ядролық синтез реакцияларының жиынтығы.

Бастапқы көміртек

Үш альфа процесі Үлкен жарылыстың басындағы қысым мен температурада тиімді емес. Осының бір салдары – Үлкен жарылыста қандай да бір маңызды көміртек мөлшері түзілмеді.

Резонанстар

Көбінесе, үш альфа процесінің ықтималдығы өте төмен. Дегенмен, бериллий-8-дің негізгі күйі екі альфа бөлшегінің энергиясына шамалы жуық. Екінші қадамда 8Be + 4He, 12C-тің қозу күйінің энергиясына шамалы тең келеді. Бұл резонанс кіріп келе жатқан альфа бөлшегінің бериллий-8-бен бірігіп көміртек түзетін ықтималдығын едәуір арттырады. Бұл резонанстың бар екендігін Фред Хойл оның нақты байқалуына дейін болжаған, көміртек жұлдыздарда пайда болуы үшін физикалық қажеттілікке негізделген. Осы энергиялық резонанс пен процестің болжамы және кейіннен ашылуы Хойлдің жұлдыздық нуклеосинтез гипотезасын күшті қолдады, ол барлық химиялық элементтер бастапқыда сутегіден, нағыз алғашқы заттан пайда болды деп есептеді. Антроптық принцип ядролық резонанстардың ғаламда көміртек пен оттегінің көп мөлшерде түзілуіне сезімтал түрде бейімделгенін түсіндіру үшін пайдаланылады.

Ауыр элементтердің нуклеосинтезі

Температура мен тығыздық одан әрі артқан сайын, термоядролық процестер тек 56-ға дейінгі никельге дейін нуклидтерді жасайды (кейін темірге ыдырайды); ауыр элементтер (Ni-ден ауыр элементтер) негізінен нейтрондарды сіңіру арқылы түзіледі. Нейтрондарды баяу сіңіру, s-процесі, темірден кейінгі элементтердің шамамен жартысын құрайды. Ал қалған жартысы жылдам нейтрондарды сіңіру, r-процесі арқылы түзіледі, бұл, басымен, жарылған жұлдыздарда (суперноваларда) және нейтронды жұлдыздардың қосылуында жүреді.

Реакция жылдамдығы және жұлдыздық эволюция

Үш альфа сатысы жұлдыздық материалдың температурасы мен тығыздығына күшті түрде тәуелді. Реакцияда бөлінетін қуат температураның 40-шы дәрежесіне және тығыздықтың квадратына шамамен пропорционал. Керісінше, протон-протон тізбекті реакциясы температураның төртінші дәрежесіне пропорционалды энергия шығарады, ал CNO циклы температураның 17-ші дәрежесіне пропорционал, екеуі де тығыздыққа тура пропорционал. Бұл температураның күшті тәуелділігі жұлдыз эволюциясының кейінгі сатысы – қызыл алып сатысына әсер етеді. Қызыл алып тармағындағы кіші массалы жұлдыздарда ядрода жиналған гелийдің одан әрі құлауына тек электрондық дегенерациялық қысым ғана кедергі келтіреді. Бүкіл дегенерацияланған ядро бірдей температурада және қысымда болады, сондықтан оның тығыздығы жеткілікті деңгейге жеткенде, үш альфа процесі арқылы ядрода термоядролық реакция басталады. Ядро энергия өндірісінің артуына жауап ретінде кеңейе алмайды, себебі қысым дегенерацияны жеңуге жеткілікті жоғары болмайды. Нәтижесінде температура көтеріледі, бұл оң кері байланыс циклында реакция жылдамдығының өсуіне алып келеді, ол бақылаусыз реакцияға айналады. Гелий жарқырауы деп аталатын бұл процесс бірнеше секундқа созылады, бірақ ядродағы гелийдің 60–80% -ын жағады. Жарқырау кезінде жұлдыздың энергия өндірісі шамамен 1011 күн сәулесінің жарықтығына жетеді, бұл бір галактиканың жарықтығымен салыстыруға болады, бірақ бетінде бірден көзге көрінбейді, себебі барлық энергия ядроны дегенерациялық күйден қалыпты газ тәрізді күйге көтеруге жұмсалады. Ядро енді дегенерацияланбағандықтан, гидростатикалық тепе-теңдік қайта орнатылады және жұлдыз өз ядросында гелийді, ал ядроның үстіндегі шар тәрізді қабатта сутегін "жаға" бастайды. Жұлдыз тұрақты гелийді жағу фазасына енеді, ол негізгі тізбекте өткізген уақытының шамамен 10% -ын құрайды (Күннің гелий жарқырауынан кейін ядросында гелийді жағуына шамамен миллиард жыл уақыт керек). Көбірек массалы жұлдыздарда көміртек ядрода жиналады, гелийді гелийдің жануы жүзеге асырылатын айналағы қабыққа ығыстырады. Гелий қабығындағы қысым төмендеу болады және масса электрондық дегенерациямен қолдау көрсетілмейді. Осылайша, жұлдыздың орталығына қарағанда, қабық гелий қабығындағы жылулық қысымның өсуіне жауап ретінде кеңейе алады. Кеңею осы қабатты салқындатады және реакцияны баяулатады, бұл жұлдыздың қайтадан жирылуына себеп болады. Бұл процесс циклдік түрде жалғасады, және осы процеске ұшыраған жұлдыздардың радиусы мен энергия өндірісі мерзімді түрде өзгереді. Бұл жұлдыздар кеңейіп, жирылған кезде сыртқы қабаттарынан материал жоғалтады.

The triple alpha steps are strongly dependent on the temperature and density of the stellar material. The power released by the reaction is approximately proportional to the temperature to the 40th power, and the density squared. In contrast, the proton–proton chain reaction produces energy at a rate proportional to the fourth power of temperature, the CNO cycle at about the 17th power of the temperature, and both are linearly proportional to the density. This strong temperature dependence has consequences for the late stage of stellar evolution, the red giant stage. For lower mass stars on the red giant branch, the helium accumulating in the core is prevented from further collapse only by electron degeneracy pressure. The entire degenerate core is at the same temperature and pressure, so when its density becomes high enough, fusion via the triple alpha process rate starts throughout the core. The core is unable to expand in response to the increased energy production until the pressure is high enough to lift the degeneracy. As a consequence, the temperature increases, causing an increased reaction rate in a positive feedback cycle that becomes a runaway reaction. This process, known as the helium flash, lasts a matter of seconds but burns 60–80% of the helium in the core. During the core flash, the star's energy production can reach approximately 1011 solar luminosities which is comparable to the luminosity of a whole galaxy, although no effects will be immediately observed at the surface, as the whole energy is used up to lift the core from the degenerate to normal, gaseous state. Since the core is no longer degenerate, hydrostatic equilibrium is once more established and the star begins to "burn" helium at its core and hydrogen in a spherical layer above the core. The star enters a steady helium burning phase which lasts about 10% of the time it spent on the main sequence (the Sun is expected to burn helium at its core for about a billion years after the helium flash). For higher mass stars, carbon collects in the core, displacing the helium to a surrounding shell where helium burning occurs. In this helium shell, the pressures are lower and the mass is not supported by electron degeneracy. Thus, as opposed to the center of the star, the shell is able to expand in response to increased thermal pressure in the helium shell. Expansion cools this layer and slows the reaction, causing the star to contract again. This process continues cyclically, and stars undergoing this process will have periodically variable radius and power production. These stars will also lose material from their outer layers as they expand and contract.

Ашылу

Үш альфа процесі көміртек-12 мен бериллий-8 гелий-4-ке қарағанда сәл жоғары энергиялы резонанстарға ие болуға тікелей байланысты. 1952 жылы белгілі резонанстар негізінде, қарапайым жұлдыздардың көміртегіні және одан ауыр элементтерді өндіруі мүмкін емес сияқты көрінді. Ядролық физик Уильям Альфред Фаулер бериллий-8 резонансын атап өткен, ал Эдвин Салпетер осы резонансты ескере отырып, 8Be, 12C және 16O нуклеосинтезінің реакция жылдамдығын есептеген. Алайда, Салпетер қызыл алыптардың гелийді 2·108 К немесе одан жоғары температурада жағатынын есептесе, ал басқа жақындағы зерттеулер қызыл алыптың ядросы үшін 1.1·108 К дейін төмен температураны болжаған. Салпетердің мақаласында көміртек-12-дегі белгісіз резонанстардың оның есептеулеріне тигізетін әсері айтылған, бірақ автор оған тоқталған жоқ. Керісінше, 1953 жылы астрофизик Фред Хойл ғаламдағы көміртек-12-нің көптігін көміртек-12 резонансының бар екендігіне дәлел ретінде пайдаланды. Хойл көміртек пен оттектің жеткілікті мөлшерде пайда болуы үшін үш альфа процесінде көміртек-12 резонансының 7,68 МэВ шамасында болуын анықтады, бұл Салпетердің есептеулеріндегі қарама-қайшылықты да жоятын еді. Соңғы реакция өнімі 0+ күйде (спин 0 және оң паритет) орналасады. Хойл күйінің 0+ немесе 2+ күйі болуы мүмкін болғандықтан, электрон-позитрон жұптары немесе гамма сәулелерінің табылуы күтілді. Алайда, эксперименттер жүргізілген кезде гамма-эмиссия реакция арнасы байқалмады, бұл күйдің 0+ болуын білдірді. Бұл күй бір гамма-эмиссияны толығымен жояды, себебі бір гамма-эмиссия кем дегенде 1 бірлік бұрыштық импульсты алып кетуі керек. Қозған 0+ күйінен жұптардың пайда болуы мүмкін, өйткені олардың біріктірілген спиндері (0) бұрыштық импульстың 0-ге өзгеруіне алып келетін реакцияға жұптаса алады.

Мүмкін еместік және нәзік реттеу

Көміртек – барлық белгілі тіршілік үшін қажетті құрамдас бөлік. Көміртектің тұрақты изотопы 12C үш фактордың арқасында жұлдыздарда көп мөлшерде түзіледі: 8Be ядросының ыдырау уақыты екі 4He ядросының (альфа бөлшектерінің) таралу уақытынан төрт есе артық. 12C ядросының қозған күйі 8Be + 4He энергия деңгейінен сәл жоғары (0,3193 МэВ) орналасады. Бұл қажет, себебі 12C ядросының негізгі күйі 8Be + 4He энергиясынан 7,3367 МэВ төмен; 8Be және 4He ядролары тікелей бірігіп, негізгі күйдегі 12C ядросын құра алмайды. Дегенмен, 8Be және 4He өздерінің соқтығысуының кинетикалық энергиясын пайдаланып 12C-ге бірігеді (кинетикалық энергия қозған күйге жету үшін қажетті қосымша 0,3193 МэВ-ты қамтамасыз етеді), содан кейін ол тұрақты негізгі күйге өте алады. Бір есептеу бойынша, осы қозған күйдің энергия деңгейі тіршілікке қажетті көміртек мөлшерін өндіру үшін шамамен 7,3 МэВ-тан 7,9 МэВ-қа дейін болуы керек, ал табиғатта байқалатын 12C мөлшерін өндіру үшін 7,596 МэВ-тан 7,716 МэВ-қа дейін «нақты реттелуі» керек. Хойл күйі 12C ядросының негізгі күйінен шамамен 7,65 МэВ жоғары екені анықталды. 12C + 4He → 16O реакциясында оттектің қозған күйі бар, егер ол сәл жоғары болса, резонанс тудырып, реакцияны жылдамдата алады. Мұндай жағдайда табиғатта көміртек жеткіліксіз болар еді, оның барлығы дерлік оттекке айналып кетер еді. Оның орнына, кейбір ғалымдар әр түрлі ғаламдар, кең ауқымды «көпқабатты әлемнің» бөліктерінде негізгі тұрақтылардың әртүрлі болатынын айтады: осы даулы «нақты реттелу» гипотезасына сәйкес, өмір тек негізгі тұрақтылар тіршіліктің болуын қолдайтындай етіп нақты реттелген ғаламдардың аз бөлігінде ғана дамуы мүмкін. Басқа ғалымдар тәуелсіз дәлелдердің болмауына байланысты көпқабатты әлем гипотезасын қабылдамайды.