همجوشی هیدروژن و هلیوم

دو واکنشی که اکثریت قریب به اتفاق ستارگان را تغذیه می‌کنند، همجوشی هیدروژن به هلیوم و سپس همجوشی هلیوم به کربن است؛ این دو واکنش با هم بیشتر انرژی یک ستاره و اولین عناصر سنگین را تولید می‌کنند.

Definition

همجوشی هیدروژن، همجوشی چهار هسته هیدروژن به یک هسته هلیوم است که ستارگان رشته اصلی را تغذیه می‌کند، و همجوشی هلیوم، همجوشی بعدی هسته‌های هلیوم به کربن و اکسیژن در ستارگان تکامل‌یافته است.

Scope

این موضوع شامل همجوشی هیدروژن از طریق زنجیره پروتون-پروتون که در ستارگان کم‌جرم غالب است و چرخه کربن-نیتروژن-اکسیژن که در ستارگان پرجرم‌تر غالب است، حساسیت دمایی این واکنش‌ها، و همجوشی هلیوم از طریق فرآیند سه‌گانه آلفا همراه با جذب آلفا که اکسیژن تولید می‌کند، می‌شود.

Core questions

• ستارگان چگونه هیدروژن را به هلیوم همجوشی می‌کنند؟
• چرا زنجیره پروتون-پروتون در برخی ستارگان و چرخه CNO در برخی دیگر غالب است؟
• چگونه سه هسته هلیوم می‌توانند به کربن ترکیب شوند؟
• چرا همجوشی هیدروژن و هلیوم تا این حد به دما حساس هستند؟

Key concepts

• زنجیره پروتون-پروتون
• چرخه CNO
• فرآیند سه‌گانه آلفا
• حالت هویل
• تونل‌زنی کوانتومی
• قله گاموف
• جذب آلفا

Key theories

همجوشی هیدروژن: زنجیره پروتون-پروتون و چرخه CNO

ستارگان هیدروژن را به هلیوم تبدیل می‌کنند یا از طریق زنجیره پروتون-پروتون که در آن پروتون‌ها به طور مستقیم در مراحل همجوشی می‌کنند، یا از طریق چرخه CNO که در آن کربن، نیتروژن و اکسیژن به عنوان کاتالیزور عمل می‌کنند؛ چرخه CNO به مراتب به دما حساس‌تر است و در ستارگان داغ‌تر و پرجرم‌تر غالب است.

همجوشی هلیوم از طریق فرآیند سه‌گانه آلفا

در دماهای بالاتر، سه هسته هلیوم از طریق یک واسطه بریلیوم-۸ با عمر کوتاه و یک حالت برانگیخته رزونانسی کربن که توسط هویل پیش‌بینی شده بود، به کربن-۱۲ همجوشی می‌کنند؛ جذب آلفای بیشتر اکسیژن تولید می‌کند و نسبت کربن به اکسیژن را در جهان تعیین می‌کند.

Mechanisms

هسته‌های باردار به صورت الکترواستاتیکی یکدیگر را دفع می‌کنند، بنابراین همجوشی تنها از طریق تونل‌زنی کوانتومی در دماهای بالای هسته‌های ستاره‌ای انجام می‌شود، که باعث می‌شود نرخ واکنش‌ها به شدت به دما وابسته باشند. همجوشی هیدروژن به آرامی یک هسته هلیوم می‌سازد؛ هنگامی که آن هسته تقریباً به صد میلیون کلوین می‌رسد، واکنش سه‌گانه آلفا هلیوم را به کربن و اکسیژن تبدیل می‌کند.

Clinical relevance

این واکنش‌ها خروجی انرژی، ساختار و طول عمر ستارگان رشته اصلی و غول‌پیکر را تعیین می‌کنند، درخشندگی خورشیدی که زمین را گرم می‌کند را تثبیت می‌کنند، و هلیوم، کربن و اکسیژن را تولید می‌کنند که بقیه شیمی کیهانی را تغذیه می‌کنند؛ زنجیره پروتون-پروتون خورشیدی همچنین منبع نوترینوهایی است که برای آزمایش مدل‌های ستاره‌ای استفاده می‌شوند.

History

بته و فون وایتساکر در اواخر دهه ۱۹۳۰ زنجیره پروتون-پروتون و چرخه CNO را بررسی کردند و همجوشی هیدروژن را به عنوان منبع انرژی ستاره‌ای شناسایی کردند، و در دهه ۱۹۵۰ سالپیتر و هویل فرآیند سه‌گانه آلفا را بنیان نهادند، با پیش‌بینی هویل در مورد رزونانس کربن که بعدها در آزمایشگاه تأیید شد.

Key figures

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

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

چرا خورشید تمام هیدروژن خود را یکباره همجوشی نمی‌کند؟

نرخ همجوشی به شدت به دما وابسته است و خودتنظیم‌کننده است: اگر هسته گرم شود، منبسط شده و سرد می‌شود و همجوشی را کند می‌کند، بنابراین خورشید هیدروژن خود را به طور پیوسته در طول میلیاردها سال می‌سوزاند و نه به صورت یک فرار.

حالت هویل چیست؟

این یک سطح انرژی برانگیخته خاص از هسته کربن-۱۲ است که وجود آن توسط فرد هویل پیش‌بینی شد زیرا در غیر این صورت فرآیند سه‌گانه آلفا نمی‌توانست به اندازه کافی کربن تولید کند؛ کشف تجربی بعدی آن تأیید کرد که چگونه همجوشی هلیوم کربن را در ستارگان می‌سازد.