Combustión de hidrógeno y helio

Las dos reacciones que impulsan la gran mayoría de las estrellas son la fusión de hidrógeno en helio y, posteriormente, la fusión de helio en carbono; juntas producen la mayor parte de la energía de una estrella y los primeros elementos pesados.

Definition

La combustión de hidrógeno es la fusión de cuatro núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio que impulsa a las estrellas de la secuencia principal, y la combustión de helio es la fusión posterior de núcleos de helio en carbono y oxígeno en estrellas evolucionadas.

Scope

El tema abarca la combustión de hidrógeno mediante la cadena protón-protón que domina en estrellas de menor masa y el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno que domina en las más masivas, la sensibilidad a la temperatura de estas reacciones y la combustión de helio mediante el proceso triple-alfa junto con la captura alfa que produce oxígeno.

Core questions

• ¿Cómo fusionan las estrellas el hidrógeno en helio?
• ¿Por qué la cadena protón-protón domina en algunas estrellas y el ciclo CNO en otras?
• ¿Cómo pueden combinarse tres núcleos de helio en carbono?
• ¿Por qué la combustión de hidrógeno y helio es tan sensible a la temperatura?

Key concepts

• cadena protón-protón
• ciclo CNO
• proceso triple-alfa
• estado de Hoyle
• tunelización cuántica
• pico de Gamow
• captura alfa

Key theories

Combustión de hidrógeno: cadena protón-protón y ciclo CNO

Las estrellas convierten el hidrógeno en helio ya sea a través de la cadena protón-protón, en la que los protones se fusionan directamente en etapas, o a través del ciclo CNO, en el que el carbono, el nitrógeno y el oxígeno actúan como catalizadores; el ciclo CNO es mucho más sensible a la temperatura y domina en estrellas más calientes y masivas.

Combustión de helio por el proceso triple-alfa

A temperaturas más altas, tres núcleos de helio se fusionan en carbono-12 a través de un intermedio de berilio-8 de corta duración y un estado excitado resonante de carbono predicho por Hoyle; una mayor captura alfa produce oxígeno, estableciendo la relación carbono-oxígeno en el universo.

Mechanisms

Los núcleos cargados se repelen electrostáticamente, por lo que la fusión solo procede por tunelización cuántica a las altas temperaturas de los núcleos estelares, lo que hace que las tasas de reacción dependan fuertemente de la temperatura. La combustión de hidrógeno forma lentamente un núcleo de helio; una vez que ese núcleo alcanza aproximadamente cien millones de kelvin, la reacción triple-alfa enciende el helio en carbono y oxígeno.

Clinical relevance

Estas reacciones establecen la producción de energía, la estructura y la vida útil de las estrellas de la secuencia principal y las gigantes, fijan la luminosidad solar que calienta la Tierra y producen el helio, el carbono y el oxígeno que siembran el resto de la química cósmica; la cadena protón-protón solar es también la fuente de los neutrinos utilizados para probar modelos estelares.

History

Bethe y von Weizsacker desarrollaron la cadena protón-protón y el ciclo CNO a fines de la década de 1930, identificando la combustión de hidrógeno como la fuente de energía estelar, y en la década de 1950 Salpeter y Hoyle establecieron el proceso triple-alfa, con Hoyle prediciendo la resonancia del carbono que luego fue confirmada en el laboratorio.

Key figures

• Hans Bethe
• Carl Friedrich von Weizsacker
• Fred Hoyle
• Edwin Salpeter

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

¿Por qué el Sol no fusiona todo su hidrógeno a la vez?

La tasa de fusión depende drásticamente de la temperatura y es autorreguladora: si el núcleo se calentara, se expandiría y enfriaría, ralentizando la fusión, por lo que el Sol quema su hidrógeno de manera constante durante miles de millones de años en lugar de hacerlo de forma descontrolada.

¿Qué es el estado de Hoyle?

Es un nivel de energía excitado específico del núcleo de carbono-12 cuya existencia Fred Hoyle predijo porque el proceso triple-alfa no podría producir suficiente carbono de otra manera; su posterior descubrimiento experimental confirmó cómo la combustión de helio forma carbono en las estrellas.