트리플 알파 과정

Triple-alpha process
"헬륨 연소"는 여기서 리다이렉트 됩니다.알파 과정과 혼동하지 마십시오.
트리플 알파 프로세스의 개요

트리플 알파 과정은 세 개의 헬륨-4 핵(알파 입자)이 [1][2]탄소로 변환되는 일련의 핵융합 반응이다.

별의 삼중 알파 과정

서로 다른 온도(T)에서 양성자-양성자(PP), CNO 및 트리플-α 핵융합 과정의 에너지 출력(δ) 비교.점선은 항성 내 PP 및 CNO 과정의 결합된 에너지 생성을 나타냅니다.

헬륨은 양성자-양성자 연쇄 반응과 탄소-질소-산소 순환의 결과로 별의 중심부에 축적된다.

두helium-4 핵의 핵 융합 반응, 그리고 그 시간 내에beryllium-8 세포 핵으로지 않는 한 세번째 알파 입자 퓨즈 carbon-12,[3]의 물체는 거의 항상 deca 흥분한 공명 상태는 호일 국가라고 하는을 생산하는 데 다시 작은 핵에 8.19×10−17 s의 반감기는, 삭아 가면서 beryllium-8 큰 불안정합니다를 생산한다.인근ysk는 세 개의 알파 입자로 나뉘지만, 약 2421.3배 중 한 번은 에너지를 방출하고 탄소-12의 [4]안정적인 염기 형태로 변화한다.별이 중심핵에서 융합할 수소가 부족할 때, 그것은 수축하고 가열되기 시작한다.중심 온도가 태양의 중심보다 6배 뜨거운 10 K까지8 [5]올라가면 알파 입자는 베릴륨-8 장벽을 통과할 정도로 빠르게 융합되어 상당한 양의 안정적인 탄소-12를 생산할 수 있다.

4
2He
 + He
 → Be
 (−0.0918 MeV)
8
4Be
 + He
 → C
 + 2µ

 (+7.367 MeV)

프로세스의 순에너지 방출량은 7.275MeV입니다.

이 과정의 부작용으로, 일부 탄소핵은 산소와 에너지의 안정적인 동위원소를 생성하기 위해 추가 헬륨과 융합합니다.

12
6C
 + He
 → O
 + µ
 (+7.199 MeV)

헬륨과 수소의 핵융합 반응은 리튬-5를 생성하는데, 리튬-5 역시 매우 불안정하며, 반감기가−22 3.7×10초인 더 작은 핵으로 분해된다.

추가적인 헬륨 핵과 융합하는 것은 알파 과정으로 알려진 별의 핵 합성의 사슬에서 더 무거운 원소를 만들 수 있지만, 이러한 반응은 삼중 알파 과정을 거치는 핵에서보다 더 높은 온도와 압력에서만 중요하다.이로 인해 별의 핵합성이 대량의 탄소와 산소를 생성하지만 그 중 극히 일부만 네온과 무거운 원소로 변환되는 상황이 발생한다.산소와 탄소는 헬륨-4 연소의 주요 "재"입니다.

원시 탄소

주요 기사:빅뱅 핵합성

트리플 알파 과정은 빅뱅 초기의 압력과 온도에서 효과적이지 않다.이것의 한 가지 결과는 빅뱅에서 상당한 양의 탄소가 생성되지 않았다는 것이다.

공명

일반적으로 트리플 알파 프로세스의 확률은 매우 작습니다.하지만, 베릴륨-8의 지면 상태는 거의 정확히 두 개의 알파 입자의 에너지를 가지고 있다.두 번째 단계에서 Be + He는 들뜬 상태 C의 에너지를 거의 정확하게 가지고 있습니다.이 공명은 들어오는 알파 입자가 베릴륨-8과 결합하여 탄소를 형성할 확률을 크게 증가시킨다.이 공명의 존재는 별에서 탄소가 형성되기 위해 존재하는 물리적 필요성에 기초하여 실제 관측 전에 프레드 호일에 의해 예측되었습니다.이 에너지 공명과 과정의 예측과 발견은 모든 화학 원소가 원래 진짜 원시 물질인 수소로 형성되었다고 가정한 호일의 항성 핵합성에 대한 가설을 매우 중요하게 뒷받침해 주었다.핵 공명이 민감하게 배열되어 우주에 [6][7]많은 양의 탄소와 산소를 생성한다는 사실을 설명하기 위해 인류학적 원리가 인용되었다.

중원소의 핵합성

온도와 밀도가 더 높아지면 핵융합 과정에서 니켈-56(나중에 철로 분해됨)까지만 핵종이 생성되고, 무거운 원소(Ni를 초과하는 원소)는 주로 중성자 포획에 의해 생성됩니다.중성자의 느린 포획, 즉 s-공정은 철을 넘어서는 원소의 약 절반을 생산한다.나머지 절반은 빠른 중성자 포획, 즉 핵 붕괴 초신성과 중성자별 [8]병합에서 발생할 수 있는 r-과정에 의해 생성된다.

반응속도와 별의 진화

트리플 알파 단계는 항성 물질의 온도와 밀도에 크게 좌우됩니다.반응에 의해 방출되는 전력은 온도의 40제곱과 밀도의 [9]제곱에 거의 비례합니다.반면 양성자-양성자 연쇄 반응은 온도의 약 17번째 전력에서 CNO 사이클에 비례하는 속도로 에너지를 생성하며, 둘 다 밀도에 선형 비례한다.이러한 강한 온도 의존성은 항성 진화의 후반 단계인 적색 거성에 영향을 미칩니다.

적색거성 가지에 있는 낮은 질량의 별들은 중심핵에 축적된 헬륨이 전자 퇴행성 압력만으로 더 이상 붕괴되는 것을 방지한다.퇴화코어 전체의 온도와 압력이 동일하기 때문에 질량이 충분히 높아지면 트리플 알파 프로세스 레이트를 통한 융접이 코어 전체에서 시작된다.핵은 압력이 퇴화를 일으키기에 충분할 정도로 높아지기 전까지는 증가한 에너지 생성에 반응하여 팽창할 수 없다.그 결과, 온도가 상승해, 정피드백 사이클의 반응 속도가 증가해, 폭주 반응이 된다.헬륨 섬광으로 알려진 이 과정은 수 초 동안 지속되지만 중심부에 있는 헬륨의 60-80%를 태웁니다.중심 섬광 동안, 별의 에너지 생성은 [10]은하 전체의 광도에 필적하는11 약 10개의 태양 광도에 도달할 수 있지만, 표면에서 즉각적으로 관측되지는 않을 것입니다. 전체 에너지가 퇴화된 상태에서 정상 기체 상태로 중심부를 끌어올리는 데 사용되기 때문입니다.중심핵이 더 이상 퇴화하지 않기 때문에, 정수적 평형이 다시 한번 확립되고 별은 중심핵에서 헬륨을 태우고 중심핵 위의 구형 층에서 수소를 태우기 시작합니다.이 별은 주계열성 시간의 약 10%를 지속하는 헬륨 연소 단계에 들어갑니다(우리 태양은 헬륨 [11]섬광 후 약 10억 년 동안 중심핵에서 헬륨을 연소할 것으로 예상됩니다).

질량이 큰 별의 경우, 중심부에 탄소가 모여 헬륨이 연소되는 주변 껍질로 대체됩니다.이 헬륨 쉘에서는 압력이 낮아 질량이 전자 축퇴에 의해 지지되지 않습니다.따라서 별의 중심과는 반대로, 헬륨 껍데기 안의 열 압력 증가에 따라 껍데기가 팽창할 수 있습니다.팽창은 이 층을 식히고 반응을 늦춰 별이 다시 수축하는 원인이 됩니다.이 과정은 주기적으로 계속되며, 이 과정을 거치는 별들은 주기적으로 반지름과 전력생산이 변하게 됩니다.이 별들은 또한 팽창하고 [citation needed]수축하면서 외부 층의 물질을 잃게 될 것입니다.

검출

삼중 알파 과정은 헬륨-4보다 약간 더 많은 에너지를 가진 탄소-12와 베릴륨-8에 크게 의존한다.알려진 공명에 근거하여, 1952년까지 보통의 별들이 무거운 [12]원소뿐만 아니라 탄소를 생산하는 것은 불가능해 보였다.핵물리학자 윌리엄 알프레드 파울러는 베릴륨-8 공명에 주목했고 에드윈 살터는 이 공명을 고려해 [13][14]Be-8, C-12, O-16 핵합성에 대한 반응 속도를 계산했다.그러나 살페터는 적색거성이 2·10K8 이상의 온도에서 헬륨을 태웠다고 계산한 반면 최근 연구에서는 적색거성의 중심핵의 온도가 1.1·10K로8 낮다고 가정했다.

살피터의 논문은 탄소-12의 알 수 없는 공명이 그의 계산에 미칠 영향에 대해 언급했지만, 저자는 그것을 추적하지 않았다.대신 1953년 우주에 존재하는 탄소-12의 풍부함을 탄소-12 공명의 증거로 사용한 사람은 천체물리학자인 프레드 호일이었다.호일이 탄소와 산소를 풍부하게 만들어 낼 수 있는 유일한 방법은 7.68 MeV 부근에서 탄소-12 공명을 하는 트리플 알파 과정을 통해서였고, 이것은 또한 살피터의 [12]계산의 차이를 없앨 수 있을 것이다.

호일은 Caltech에 있는 Fowler의 연구실에 가서 탄소-12 핵에 7.68 MeV의 공명이 있어야 한다고 말했다.(약 7.5MeV에서 흥분 상태에 대한 보고가 있었습니다.)[12]Fred Hoyle의 대담성은 놀랍습니다. 실험실의 핵물리학자들은 처음에는 회의적이었습니다.마침내, 프로젝트를 찾고 있던 라이스 대학의 막 나온 후배 물리학자 워드 포경(Ward Walking)은 공명을 찾기로 결정했다.파울러는 포경에게 사용되지 않는 오래된 밴더그래프 발전기를 사용하도록 허락했다.호일은 몇 달 후 7.65 MeV 근처에서 탄소-12 공명을 발견했을 때 캠브리지로 돌아와 그의 예측을 입증했다.핵물리학자들은 미국물리학회 여름회의에서 포경연구소가 발표한 논문의 제1저자로 호일을 지목했다.곧이어 호일과 파울러 사이의 길고도 결실 있는 협업이 이어졌고 파울러는 [15]캠브리지에 오기까지 했다.

최종 반응 생성물은 0+ 상태(스핀 0 및 양의 패리티)입니다.호일 상태는 0+ 또는 2+ 상태로 예측되었기 때문에 전자-양자 쌍 또는 감마선이 관찰될 것으로 예상되었다.그러나 실험을 수행했을 때 감마 방출 반응 채널이 관찰되지 않았으며, 이는 상태가 0+ 상태여야 함을 의미했다.이 상태는 단일 감마 방출이 최소 1단위의 각 운동량을 운반해야 하므로 단일 감마 방출을 완전히 억제한다.이들의 결합된 스핀(0)이 각운동량의 변화가 [16]0인 반응에 결합할 수 있기 때문에 들뜬 0+ 상태에서 쌍생성이 가능하다.

있을 것 같지 않은 미세 조정

주요 기사:미세 조정된 우주

탄소는 알려진 모든 생명체의 필수적인 구성요소이다.탄소의 안정 동위원소인 C는 다음 세 가지 요인 때문에 별에서 풍부하게 12생성된다.

  1. Be 핵의 붕괴 수명은 두 He 핵(알파 입자)이 [17]산란하는 시간보다 4배 크다.
  2. C핵의 들뜬 상태는 에너지 수준인 Be + He보다 약간 위에 존재한다(0.3193 MeV).이것은 C의 지면 상태가 Be + He의 에너지보다 7.3367 MeV 낮기 때문에 필요하다. Be 핵과 He 핵은 지면 상태 C 핵으로 직접 융합할 수 없다.그러나 Be와 He는 충돌의 운동 에너지를 사용하여 들뜬 C(여진 상태에 도달하는 데 필요한 추가 0.3193 MeV를 공급함)로 융합하고, 그 후 안정된 지면 상태로 이행할 수 있다.한 계산에 따르면, 이 들뜬 상태의 에너지 수준은 생명체가 존재하기에 충분한 탄소를 생성하기 위해 약 7.3MeV에서 7.9MeV 사이여야 하며,[18] 자연에서 관측된 풍부한 C 수준을 생성하기 위해 7.596MeV에서 7.716MeV 사이로 "미세 조정"되어야 한다.Hoyle 상태는 C의 [19]지상 상태보다 약 7.65 MeV 높은 것으로 측정되었습니다.
  3. C + He → O16 반응에서는 산소의 들뜬 상태가 존재하며, 이 들뜬 상태가 약간 높으면 공명이 발생하여 반응이 빨라진다.그 경우, 불충분한 탄소가 자연에 존재할 것이다; 거의 모든 탄소가 [17]산소로 바뀌었을 것이다.

일부 학자들은 특히 7.656 MeV 호일의 공명이 단순한 우연의 산물이 아닐 것이라고 주장한다.프레드 호일은 1982년에 호일의 공명이 "[12]수퍼인텔렉트"의 증거라고 주장했고, 우주 풍경에서 레오나드 서스킨드는 호일의 지적 설계 주장을 [20]거부했습니다.대신, 몇몇 과학자들은 광대한 "다중 우주"의 일부인 다른 우주들이 다른 기본 [21]상수를 가지고 있다고 믿는다: 논란이 되고 있는 미세 조정 가설에 따르면, 생명체는 생명의 존재를 뒷받침하기 위해 미세 조정된 소수의 우주에서만 진화할 수 있다.다른 과학자들은 독립적인 [22]증거가 없다는 이유로 다중우주의 가설을 부인한다.

레퍼런스

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