احتراق الهيدروجين والهيليوم
التفاعلان اللذان يمدان الغالبية العظمى من النجوم بالطاقة هما اندماج الهيدروجين إلى هيليوم، ولاحقًا، اندماج الهيليوم إلى كربون؛ وهما معًا ينتجان معظم طاقة النجم والعناصر الثقيلة الأولى.
Definition
احتراق الهيدروجين هو اندماج أربع نوى هيدروجين في نواة هيليوم واحدة يمد نجوم النسق الأساسي بالطاقة، واحتراق الهيليوم هو الاندماج اللاحق لنوكليونات الهيليوم إلى كربون وأكسجين في النجوم المتطورة.
Scope
يغطي الموضوع احتراق الهيدروجين بواسطة سلسلة البروتون-بروتون التي تسود في النجوم ذات الكتل الأقل ودورة الكربون-النيتروجين-الأكسجين التي تسود في النجوم الأكثر ضخامة، وحساسية هذه التفاعلات لدرجة الحرارة، واحتراق الهيليوم بواسطة عملية ألفا الثلاثية جنبًا إلى جنب مع التقاط ألفا الذي ينتج الأكسجين.
Core questions
- كيف تدمج النجوم الهيدروجين في الهيليوم؟
- لماذا تسود سلسلة البروتون-بروتون في بعض النجوم ودورة CNO في نجوم أخرى؟
- كيف يمكن لثلاث نوى هيليوم أن تتحد لتكوين الكربون؟
- لماذا يعتبر احتراق الهيدروجين والهيليوم حساسًا جدًا لدرجة الحرارة؟
Key concepts
- سلسلة البروتون-بروتون
- دورة CNO
- عملية ألفا الثلاثية
- حالة هويلي
- النفق الكمومي
- قمة غاموف
- التقاط ألفا
Key theories
- احتراق الهيدروجين: سلسلة البروتون-بروتون ودورة CNO
- تحول النجوم الهيدروجين إلى هيليوم إما من خلال سلسلة البروتون-بروتون، حيث تندمج البروتونات مباشرة في خطوات، أو من خلال دورة CNO، حيث يعمل الكربون والنيتروجين والأكسجين كمحفزات؛ دورة CNO أكثر حساسية لدرجة الحرارة بكثير وتسود في النجوم الأكثر سخونة وضخامة.
- احتراق الهيليوم بواسطة عملية ألفا الثلاثية
- عند درجات حرارة أعلى، تندمج ثلاث نوى هيليوم في كربون-12 من خلال وسيط بريليوم-8 قصير العمر وحالة إثارة رنينية للكربون تنبأ بها هويلي؛ ينتج التقاط ألفا الإضافي الأكسجين، مما يحدد نسبة الكربون إلى الأكسجين في الكون.
Mechanisms
تتنافر النوى المشحونة كهرومغناطيسيًا، لذا لا يحدث الاندماج إلا عن طريق النفق الكمومي (quantum tunneling) عند درجات الحرارة العالية في نوى النجوم، مما يجعل معدلات التفاعل تعتمد بشدة على درجة الحرارة. يبني احتراق الهيدروجين ببطء نواة هيليوم؛ وبمجرد أن تصل هذه النواة إلى حوالي مائة مليون كلفن، تشعل عملية ألفا الثلاثية الهيليوم إلى كربون وأكسجين.
Clinical relevance
تحدد هذه التفاعلات إنتاج الطاقة، والبنية، وأعمار نجوم النسق الأساسي والنجوم العملاقة، وتثبت اللمعان الشمسي الذي يدفئ الأرض، وتنتج الهيليوم والكربون والأكسجين التي تبذر بقية الكيمياء الكونية؛ كما أن سلسلة البروتون-بروتون الشمسية هي أيضًا مصدر النيوترينوات المستخدمة لاختبار النماذج النجمية.
History
عمل بيته وفون فايتساكر على سلسلة البروتون-بروتون ودورة CNO في أواخر الثلاثينيات، وحددا احتراق الهيدروجين كمصدر للطاقة النجمية، وفي الخمسينيات، أرسى سالبيتر وهويلي عملية ألفا الثلاثية، حيث تنبأ هويلي برنين الكربون الذي تأكد لاحقًا في المختبر.
Key figures
- Hans Bethe
- Carl Friedrich von Weizsacker
- Fred Hoyle
- Edwin Salpeter
Related topics
Seminal works
- bethe1939
- clayton1983
Frequently asked questions
- لماذا لا يدمج الشمس كل الهيدروجين لديها دفعة واحدة؟
- يعتمد معدل الاندماج بشكل حاد على درجة الحرارة وهو ذاتي التنظيم: إذا ارتفعت حرارة اللب، فإنه سيتمدد ويبرد، مما يبطئ الاندماج، لذا تحرق الشمس الهيدروجين لديها بثبات على مدى مليارات السنين بدلاً من أن يكون ذلك بشكل جامح.
- ما هي حالة هويلي؟
- إنها مستوى طاقة مثار محدد لنواة الكربون-12 تنبأ فريد هويلي بوجوده لأنه لولا ذلك لما تمكنت عملية ألفا الثلاثية من إنتاج ما يكفي من الكربون؛ وقد أكد اكتشافها التجريبي اللاحق كيف يبني احتراق الهيليوم الكربون في النجوم.