Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Цепная реакция ядерного синтеза, преобразующая гелий в углерод.
Nuclear fusion reaction chain converting helium to carbon
Тройной альфа-процесс — это набор ядерных реакций синтеза, в ходе которых три ядра гелия-4 (альфа-частицы) превращаются в углерод.
The triple alpha process is a set of nuclear fusion reactions by which three helium 4 nuclei (alpha particles) are transformed into carbon.
Первобытный углерод
Трижды альфа-процесс неэффективен при давлении и температуре на ранних этапах Большого взрыва. Следствием этого является то, что в Большом взрыве не образовалось значительного количества углерода.
The triple alpha process is ineffective at the pressures and temperatures early in the Big Bang. One consequence of this is that no significant amount of carbon was produced in the Big Bang.
Резонансы
Обычно вероятность тройного альфа-процесса крайне мала. Однако основное состояние бериллия-8 имеет почти точно энергию двух альфа-частиц. На втором этапе 8Be + 4He имеет почти точно энергию возбужденного состояния 12C. Этот резонанс значительно повышает вероятность того, что входящая альфа-частица соединится с бериллием-8, образуя углерод. Существование этого резонанса было предсказано Фредом Хойлом до его фактического обнаружения, исходя из физической необходимости его существования для образования углерода в звездах. Предсказание, а затем и открытие этого энергетического резонанса и процесса оказали существенную поддержку гипотезе Хойла о звёздном нуклеосинтезе, согласно которой все химические элементы изначально образовались из водорода – истинного первородного вещества. Антропный принцип был использован для объяснения того факта, что ядерные резонансы тонко настроены для создания больших количеств углерода и кислорода во Вселенной.
Ordinarily, the probability of the triple alpha process is extremely small. However, the beryllium 8 ground state has almost exactly the energy of two alpha particles. In the second step, 8Be + 4He has almost exactly the energy of an excited state of 12C. This resonance greatly increases the probability that an incoming alpha particle will combine with beryllium 8 to form carbon. The existence of this resonance was predicted by Fred Hoyle before its actual observation, based on the physical necessity for it to exist, in order for carbon to be formed in stars. The prediction and then discovery of this energy resonance and process gave very significant support to Hoyle's hypothesis of stellar nucleosynthesis, which posited that all chemical elements had originally been formed from hydrogen, the true primordial substance. The anthropic principle has been cited to explain the fact that nuclear resonances are sensitively arranged to create large amounts of carbon and oxygen in the universe.
Нуклеосинтез тяжелых элементов
При дальнейшем повышении температуры и плотности процессы термоядерного синтеза производят нуклиды только до никеля-56 (который впоследствии распадается до железа); более тяжелые элементы (те, что тяжелее никеля) создаются главным образом посредством захвата нейтронов. Медленный захват нейтронов, s-процесс, производит около половины элементов тяжелее железа. Другая половина образуется в результате быстрого захвата нейтронов, r-процесса, который, вероятно, происходит в сверхновых с коллапсом ядра и при слиянии нейтронных звезд.
With further increases of temperature and density, fusion processes produce nuclides only up to nickel 56 (which decays later to iron); heavier elements (those beyond Ni) are created mainly by neutron capture. The slow capture of neutrons, the s process, produces about half of elements beyond iron. The other half are produced by rapid neutron capture, the r process, which probably occurs in core collapse supernovae and neutron star mergers.
Скорость реакции и эволюция звезды
Трехступенчатые альфа-процессы сильно зависят от температуры и плотности звездного вещества. Выделяемая реакцией мощность приблизительно пропорциональна температуре в 40-й степени и квадрату плотности. В отличие от этого, протон-протонный цикл производит энергию со скоростью, пропорциональной четвертой степени температуры, а CNO-цикл – примерно с 17-й степени температуры. Оба цикла линейно пропорциональны плотности. Эта сильная температурная зависимость имеет последствия для поздних стадий звездной эволюции, в частности, для стадии красного гиганта. У звезд с малой массой на красной гигантской ветви накопление гелия в ядре предотвращает дальнейший коллапс только давление вырожденных электронов. Все вырожденное ядро находится при одинаковой температуре и давлении, поэтому, когда его плотность становится достаточно высокой, синтез посредством трехступенчатого альфа-процесса начинается во всем ядре. Ядро не может расширяться в ответ на увеличение выработки энергии, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы преодолеть вырождение. В результате температура возрастает, что приводит к увеличению скорости реакции в цикле положительной обратной связи, переходящем в неуправляемую реакцию. Этот процесс, известный как гелиевая вспышка, длится всего несколько секунд, но сжигает 60–80% гелия в ядре. Во время вспышки ядра выработка энергии звездой может достигать приблизительно 10¹¹ солнечных светимостей, что сопоставимо со светимостью целой галактики. Однако никаких эффектов на поверхности не будет наблюдаться немедленно, поскольку вся энергия расходуется на перевод ядра из вырожденного в нормальное газообразное состояние. Поскольку ядро больше не вырождено, восстанавливается гидростатическое равновесие, и звезда начинает "сжигать" гелий в ядре и водород в сферической оболочке над ядром. Звезда переходит в стационарную фазу сжигания гелия, которая длится около 10% времени, проведенного на главной последовательности (ожидается, что Солнце будет сжигать гелий в ядре около миллиарда лет после гелиевой вспышки). У звезд с большей массой углерод накапливается в ядре, вытесняя гелий во внешнюю оболочку, где происходит его сжигание. В этой гелиевой оболочке давление ниже, и масса не поддерживается давлением вырожденных электронов. Таким образом, в отличие от центра звезды, оболочка способна расширяться в ответ на увеличение теплового давления в гелиевой оболочке. Расширение охлаждает этот слой и замедляет реакцию, заставляя звезду снова сжиматься. Этот процесс продолжается циклически, и звезды, проходящие через него, будут иметь периодически изменяющийся радиус и выработку энергии. Эти звезды также будут терять вещество из своих внешних слоев при расширении и сжатии.
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.
Открытие
Тройной альфа-процесс сильно зависит от наличия резонансов у углерода-12 и бериллия-8 с энергией лишь немного превышающей энергию гелия-4. Основываясь на известных резонансах, к 1952 году казалось невозможным для обычных звезд производить углерод, а также какие-либо более тяжелые элементы. Ядерный физик Уильям Альфред Фаулер отметил резонанс бериллия-8, а Эдвин Салпетер рассчитал скорость реакции для нуклеосинтеза 8Be, 12C и 16O, учитывая этот резонанс. Однако Салпетер рассчитал, что красные гиганты сжигают гелий при температурах 2·10⁸ К или выше, в то время как другие недавние работы предполагали температуры до 1,1·10⁸ К для ядра красного гиганта. В статье Салпетера вскользь упоминалось влияние неизвестных резонансов в углероде-12 на его расчеты, но автор не стал их исследовать. Вместо этого астрофизик Фред Хойл в 1953 году использовал распространенность углерода-12 во Вселенной как доказательство существования резонанса углерода-12. Единственный способ, который нашел Хойл для получения достаточного количества как углерода, так и кислорода, заключался в тройном альфа-процессе с резонансом углерода-12 около 7,68 МэВ, что также устранило бы расхождение в расчетах Салпетера. Конечный продукт реакции находится в состоянии 0+ (спин 0 и положительная четность). Поскольку состояние Хойла предсказывалось как 0+ или 2+, ожидалось обнаружение пар электрон-позитрон или гамма-лучей. Однако, когда были проведены эксперименты, канал реакции гамма-излучения не был обнаружен, что означало, что состояние должно быть 0+. Это состояние полностью подавляет однофотонное гамма-излучение, поскольку такое излучение должно уносить не менее одной единицы углового момента. Образование пар из возбужденного состояния 0+ возможно, поскольку их объединенные спины (0) могут участвовать в реакции с изменением углового момента, равным нулю.
The triple alpha process is highly dependent on carbon 12 and beryllium 8 having resonances with slightly more energy than helium 4. Based on known resonances, by 1952 it seemed impossible for ordinary stars to produce carbon as well as any heavier element. Nuclear physicist William Alfred Fowler had noted the beryllium 8 resonance, and Edwin Salpeter had calculated the reaction rate for 8Be, 12C, and 16O nucleosynthesis taking this resonance into account. However, Salpeter calculated that red giants burned helium at temperatures of 2·108 K or higher, whereas other recent work hypothesized temperatures as low as 1.1·108 K for the core of a red giant. Salpeter's paper mentioned in passing the effects that unknown resonances in carbon 12 would have on his calculations, but the author never followed up on them. It was instead astrophysicist Fred Hoyle who, in 1953, used the abundance of carbon 12 in the universe as evidence for the existence of a carbon 12 resonance. The only way Hoyle could find that would produce an abundance of both carbon and oxygen was through a triple alpha process with a carbon 12 resonance near 7.68 MeV, which would also eliminate the discrepancy in Salpeter's calculations. The final reaction product lies in a 0+ state (spin 0 and positive parity). Since the Hoyle state was predicted to be either a 0+ or a 2+ state, electron–positron pairs or gamma rays were expected to be seen. However, when experiments were carried out, the gamma emission reaction channel was not observed, and this meant the state must be a 0+ state. This state completely suppresses single gamma emission, since single gamma emission must carry away at least 1 unit of angular momentum. Pair production from an excited 0+ state is possible because their combined spins (0) can couple to a reaction that has a change in angular momentum of 0.
Невероятность и тонкая настройка
Углерод — необходимый компонент всей известной жизни. 12C, стабильный изотоп углерода, в изобилии образуется в звездах благодаря трем факторам:
Carbon is a necessary component of all known life. 12C, a stable isotope of carbon, is abundantly produced in stars due to three factors:
Время жизни ядра 8Be на четыре порядка величины превышает время рассеяния двух ядер 4He (альфа-частиц). Возбужденное состояние ядра 12C существует лишь немного (0,3193 МэВ) выше уровня энергии 8Be + 4He. Это необходимо, поскольку основное состояние 12C находится на 7,3367 МэВ ниже энергии 8Be + 4He; ядро 8Be и ядро 4He не могут напрямую слиться в ядро 12C в основном состоянии. Однако 8Be и 4He используют кинетическую энергию своего столкновения для слияния в возбужденный 12C (кинетическая энергия обеспечивает дополнительные 0,3193 МэВ, необходимые для достижения возбужденного состояния), который затем может перейти в свое стабильное основное состояние. Согласно одному из расчетов, уровень энергии этого возбужденного состояния должен находиться между примерно 7,3 МэВ и 7,9 МэВ для производства достаточного количества углерода для существования жизни и должен быть дополнительно "тонко настроен" между 7,596 МэВ и 7,716 МэВ для производства обильного уровня 12C, наблюдаемого в природе. Состояние Хойла было измерено как примерно 7,65 МэВ выше основного состояния 12C. В реакции 12C + 4He → 16O существует возбужденное состояние кислорода, которое, если бы оно было немного выше, обеспечило бы резонанс и ускорило бы реакцию. В этом случае в природе было бы недостаточно углерода; почти весь он превратился бы в кислород. Вместо этого некоторые ученые полагают, что различные вселенные, части огромной "мультивселенной", имеют различные фундаментальные константы: согласно этой спорной гипотезе тонкой настройки, жизнь может развиваться только в меньшинстве вселенных, где фундаментальные константы случайно настроены таким образом, чтобы поддерживать существование жизни. Другие ученые отвергают гипотезу о мультивселенной из-за отсутствия независимых доказательств.
The decay lifetime of a 8Be nucleus is four orders of magnitude larger than the time for two 4He nuclei (alpha particles) to scatter. An excited state of the 12C nucleus exists a little (0.3193 MeV) above the energy level of 8Be + 4He. This is necessary because the ground state of 12C is 7.3367 MeV below the energy of 8Be + 4He; a 8Be nucleus and a 4He nucleus cannot reasonably fuse directly into a ground state 12C nucleus. However, 8Be and 4He use the kinetic energy of their collision to fuse into the excited 12C (kinetic energy supplies the additional 0.3193 MeV necessary to reach the excited state), which can then transition to its stable ground state. According to one calculation, the energy level of this excited state must be between about 7.3 MeV and 7.9 MeV to produce sufficient carbon for life to exist, and must be further "fine tuned" to between 7.596 MeV and 7.716 MeV in order to produce the abundant level of 12C observed in nature. The Hoyle state has been measured to be about 7.65 MeV above the ground state of 12C. In the reaction 12C + 4He → 16O, there is an excited state of oxygen which, if it were slightly higher, would provide a resonance and speed up the reaction. In that case, insufficient carbon would exist in nature; almost all of it would have converted to oxygen. Instead, some scientists believe that different universes, portions of a vast "multiverse", have different fundamental constants: according to this controversial fine tuning hypothesis, life can only evolve in the minority of universes where the fundamental constants happen to be fine tuned to support the existence of life. Other scientists reject the hypothesis of the multiverse on account of the lack of independent evidence.