Proceso triple alfa

Reseña del proceso triple-alfa

El proceso triple alfa es un conjunto de reacciones de fusión nuclear mediante las cuales tres núcleos de helio-4 (partículas alfa) se transforman en carbono.

Proceso triple alfa en estrellas

Comparación de la producción de energía (ε) de protón-protón (PP), CNO y Triple-α procesos de fusión a diferentes temperaturas (T). La línea desgarrada muestra la generación de energía combinada de los procesos PP y CNO dentro de una estrella.

El helio se acumula en el núcleo de las estrellas como resultado de la reacción en cadena protón-protón y del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno.

La reacción de fusión nuclear de dos núcleos de helio-4 produce berilio-8, que es muy inestable y se descompone en núcleos más pequeños con una vida media de 8.19×10⁻¹⁷ s, a menos que dentro de ese tiempo una tercera partícula alfa se fusione con el núcleo de berilio-8 para producir un estado de resonancia excitada de carbono-12, llamado estado de Hoyle, que casi siempre se descompone en tres partículas alfa, pero una vez cada 2421,3 libera energía y cambia a la forma base estable de carbono-12. Cuando una estrella se queda sin hidrógeno para fusionarse en su núcleo, comienza a contraerse y calentarse. Si la temperatura central sube a 10⁸ K, seis veces más caliente que el núcleo del Sol, las partículas alfa pueden fusionarse lo suficientemente rápido como para atravesar la barrera del berilio-8 y producir cantidades significativas de carbono estable. -12.

42He + 4 2Él → 84Be	(0.0−918 MeV)
8 4Be + 4 2Él → 126C + 2γ	(+7.367 MeV)

La liberación de energía neta del proceso es de 7,275 MeV.

Como efecto secundario del proceso, algunos núcleos de carbono se fusionan con helio adicional para producir un isótopo estable de oxígeno y energía:

126C + 42He → 168O + γ (+7.162 MeV)

Las reacciones de fusión nuclear de helio con hidrógeno producen litio-5, que también es muy inestable y se descompone en núcleos más pequeños con una vida media de 3.7×10⁻²² s.

La fusión con núcleos de helio adicionales puede crear elementos más pesados en una cadena de nucleosíntesis estelar conocida como proceso alfa, pero estas reacciones solo son significativas a temperaturas y presiones más altas que en los núcleos que se someten al proceso triple alfa. Esto crea una situación en la que la nucleosíntesis estelar produce grandes cantidades de carbono y oxígeno, pero solo una pequeña fracción de esos elementos se convierte en neón y elementos más pesados. El oxígeno y el carbono son las principales "cenizas" de la quema de helio-4.

Carbono primordial

El proceso triple alfa es ineficaz a las presiones y temperaturas de principios del Big Bang. Una consecuencia de esto es que no se produjo una cantidad significativa de carbono en el Big Bang.

Resonancias

Normalmente, la probabilidad del proceso triple alfa es extremadamente pequeña. Sin embargo, el estado fundamental de berilio-8 tiene casi exactamente la energía de dos partículas alfa. En el segundo paso, ⁸Be + ⁴Tiene casi exactamente la energía de un estado excitado de 12C. Esta resonancia aumenta en gran medida la probabilidad de que una partícula alfa entrante se combine con berilio-8 para formar carbono. La existencia de esta resonancia fue predicha por Fred Hoyle antes de su observación real, basándose en la necesidad física de que exista para que se forme carbono en las estrellas. La predicción y luego el descubrimiento de esta resonancia y proceso de energía dio un apoyo muy significativo a la hipótesis de la nucleosíntesis estelar de Hoyle, que postulaba que todos los elementos químicos se habían formado originalmente a partir del hidrógeno, la verdadera sustancia primordial. Se ha citado el principio antrópico para explicar el hecho de que las resonancias nucleares se organizan de manera sensible para crear grandes cantidades de carbono y oxígeno en el universo.

Nucleosíntesis de elementos pesados

Con mayores aumentos de temperatura y densidad, los procesos de fusión producen nucleidos solo hasta níquel-56 (que luego se descompone en hierro); los elementos más pesados (aquellos más allá del Ni) se crean principalmente por captura de neutrones. La lenta captura de neutrones, el proceso s, produce aproximadamente la mitad de los elementos más allá del hierro. La otra mitad se produce por captura rápida de neutrones, el proceso r, que probablemente ocurre en supernovas con colapso del núcleo y fusiones de estrellas de neutrones.

Velocidad de reacción y evolución estelar

Los pasos triple alfa dependen en gran medida de la temperatura y la densidad del material estelar. La potencia liberada por la reacción es aproximadamente proporcional a la temperatura elevada a 40 y la densidad al cuadrado. Por el contrario, la reacción en cadena protón-protón produce energía a una velocidad proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, el ciclo CNO a aproximadamente la decimoséptima potencia de la temperatura, y ambos son linealmente proporcionales a la densidad. Esta fuerte dependencia de la temperatura tiene consecuencias para la última etapa de la evolución estelar, la etapa de gigante roja.

Para las estrellas de menor masa en la rama de gigante roja, el helio que se acumula en el núcleo se evita que se colapse aún más solo por la presión de degeneración de electrones. Todo el núcleo degenerado está a la misma temperatura y presión, por lo que cuando su densidad se vuelve lo suficientemente alta, comienza la fusión a través del proceso triple alfa en todo el núcleo. El núcleo no puede expandirse en respuesta al aumento de la producción de energía hasta que la presión es lo suficientemente alta como para eliminar la degeneración. Como consecuencia, la temperatura aumenta, provocando un aumento de la velocidad de reacción en un ciclo de retroalimentación positiva que se convierte en una reacción desbocada. Este proceso, conocido como destello de helio, dura unos segundos pero quema entre el 60 y el 80 % del helio del núcleo. Durante el destello del núcleo, la producción de energía de la estrella puede alcanzar aproximadamente 10¹¹ luminosidades solares, lo que es comparable a la luminosidad de toda una galaxia, aunque no se observarán efectos inmediatos en la superficie, ya que toda la energía se utiliza para elevar el núcleo del estado gaseoso degenerado al normal. Dado que el núcleo ya no está degenerado, el equilibrio hidrostático se establece una vez más y la estrella comienza a 'quemarse'. helio en su núcleo e hidrógeno en una capa esférica sobre el núcleo. La estrella entra en una fase constante de quema de helio que dura aproximadamente el 10% del tiempo que pasó en la secuencia principal (se espera que el Sol queme helio en su núcleo durante unos mil millones de años después del destello de helio).

Para las estrellas de mayor masa, el carbono se acumula en el núcleo, desplazando el helio a una capa circundante donde se produce la combustión del helio. En esta capa de helio, las presiones son más bajas y la masa no se sustenta en la degeneración electrónica. Por lo tanto, a diferencia del centro de la estrella, la capa puede expandirse en respuesta al aumento de la presión térmica en la capa de helio. La expansión enfría esta capa y ralentiza la reacción, haciendo que la estrella se contraiga de nuevo. Este proceso continúa cíclicamente, y las estrellas que se someten a este proceso tendrán un radio y una producción de energía periódicamente variables. Estas estrellas también perderán material de sus capas exteriores a medida que se expanden y contraen.

Descubrimiento

El proceso triple alfa depende en gran medida de que el carbono 12 y el berilio 8 tengan resonancias con un poco más de energía que el helio 4. Según las resonancias conocidas, en 1952 parecía imposible que las estrellas ordinarias produjeran carbono tan bien como cualquier otro elemento más pesado. El físico nuclear William Alfred Fowler había observado la resonancia del berilio-8 y Edwin Salpeter había calculado la velocidad de reacción para ⁸Be, ¹²C y ¹⁶O nucleosíntesis teniendo en cuenta esta resonancia. Sin embargo, Salpeter calculó que las gigantes rojas quemaban helio a temperaturas de 2·10⁸ K o superiores, mientras que otros trabajos recientes supusieron temperaturas tan bajas como 1,1·10⁸ K para la núcleo de una gigante roja.

El artículo de Salpeter mencionaba de pasada los efectos que las resonancias desconocidas en el carbono 12 tendrían en sus cálculos, pero el autor nunca les dio seguimiento. En cambio, fue el astrofísico Fred Hoyle quien, en 1953, utilizó la abundancia de carbono-12 en el universo como evidencia de la existencia de una resonancia de carbono-12. La única forma que Hoyle pudo encontrar que produciría una gran cantidad de carbono y oxígeno fue a través de un proceso triple alfa con una resonancia de carbono-12 cercana a los 7,68 MeV, lo que también eliminaría la discrepancia en los cálculos de Salpeter.

Hoyle fue al laboratorio de Fowler en Caltech y dijo que tenía que haber una resonancia de 7,68 MeV en el núcleo de carbono-12. (Hubo informes de un estado excitado a aproximadamente 7,5 MeV). La audacia de Fred Hoyle al hacer esto es notable, e inicialmente los físicos nucleares en el laboratorio se mostraron escépticos. Finalmente, un joven físico, Ward Whaling, recién graduado de la Universidad de Rice, que buscaba un proyecto, decidió buscar la resonancia. Fowler le dio permiso a Whaling para usar un viejo generador Van de Graaff que no estaba siendo usado. Hoyle estaba de vuelta en Cambridge cuando el laboratorio de Fowler descubrió una resonancia de carbono 12 cercana a los 7,65 MeV unos meses después, lo que validó su predicción. Los físicos nucleares pusieron a Hoyle como primer autor de un artículo presentado por Whaling en la reunión de verano de la American Physical Society. Pronto siguió una larga y fructífera colaboración entre Hoyle y Fowler, y Fowler incluso llegó a Cambridge.

El producto de reacción final se encuentra en un estado 0+ (spin 0 y paridad positiva). Dado que se predijo que el estado de Hoyle sería un estado 0+ o 2+, se esperaba ver pares de electrones-positrones o rayos gamma. Sin embargo, cuando se llevaron a cabo los experimentos, no se observó el canal de reacción de emisión gamma, y esto significaba que el estado debía ser un estado 0+. Este estado suprime por completo la emisión gamma simple, ya que la emisión gamma simple debe transportar al menos 1 unidad de momento angular. La producción de pares desde un estado excitado 0+ es posible porque sus espines combinados (0) pueden acoplarse a una reacción que tiene un cambio en el momento angular de 0.

Improbabilidad y ajuste fino

El carbono es un componente necesario de toda forma de vida conocida. ¹²C, un isótopo estable de carbono, se produce abundantemente en las estrellas debido a tres factores:

1. La vida de desintegración de un núcleo 8Be es cuatro órdenes de magnitud mayor que el tiempo para dos ⁴Él nuclei (partículas alfa) a dispersar.
2. Un estado excitado del ¹²C núcleo existe un poco (0.3193 MeV) por encima del nivel de energía ⁸Be + ⁴Él. Esto es necesario porque el estado del suelo ¹²C es 7.3367 MeV debajo de la energía de ⁸Be + ⁴Él; a ⁸Ser núcleo y un ⁴El núcleo no puede fundirse razonablemente directamente en un estado terrestre ¹²C núcleo. Sin embargo, ⁸Sé y ⁴Usa la energía cinética de su colisión para fusionarse con los excitados ¹²C (la energía cinética suministra el MeV adicional de 0.3193 necesario para alcanzar el estado excitado), que puede luego pasar a su estado de tierra estable. Según un cálculo, el nivel de energía de este estado excitado debe estar entre unos 7.3 MeV y 7.9 MeV para producir suficiente carbono para que exista la vida, y debe ser más "financido" entre 7.596 MeV y 7.716 MeV para producir el nivel abundante de ¹²C observado en la naturaleza. El estado de Hoyle se ha medido para ser alrededor de 7.65 MeV sobre el estado del suelo ¹²C.
3. En la reacción ¹²C + ⁴Él → ¹⁶O, hay un estado excitado de oxígeno que, si fuera ligeramente superior, proporcionaría una resonancia y aceleraría la reacción. En ese caso, el carbono no existiría en la naturaleza; casi todo se habría convertido en oxígeno.

Algunos académicos argumentan que es poco probable que la resonancia de Hoyle de 7,656 MeV, en particular, sea producto de la mera casualidad. Fred Hoyle argumentó en 1982 que la resonancia de Hoyle era evidencia de un "superintelecto"; Leonard Susskind en The Cosmic Landscape rechaza el argumento del diseño inteligente de Hoyle. En cambio, algunos científicos creen que diferentes universos, porciones de un vasto 'multiverso', tienen diferentes constantes fundamentales: según esta controvertida hipótesis de ajuste fino, la vida solo puede evolucionar en la minoría de los universos donde ocurren las constantes fundamentales. ser afinado para soportar la existencia de la vida. Otros científicos rechazan la hipótesis del multiverso debido a la falta de evidencia independiente.