Pembakaran Hidrogen dan Helium

Dua reaksi yang menggerakkan sebagian besar bintang adalah fusi hidrogen menjadi helium dan, kemudian, fusi helium menjadi karbon; bersama-sama, reaksi ini menghasilkan sebagian besar energi bintang dan elemen berat pertama.

Definition

Pembakaran hidrogen adalah fusi empat inti hidrogen menjadi satu inti helium yang menggerakkan bintang deret utama, dan pembakaran helium adalah fusi inti helium selanjutnya menjadi karbon dan oksigen pada bintang yang berevolusi.

Scope

Topik ini mencakup pembakaran hidrogen oleh rantai proton-proton yang mendominasi pada bintang bermassa rendah dan siklus karbon-nitrogen-oksigen yang mendominasi pada bintang yang lebih masif, sensitivitas suhu dari reaksi-reaksi ini, dan pembakaran helium oleh proses triple-alpha bersama dengan penangkapan alfa yang menghasilkan oksigen.

Core questions

• Bagaimana bintang memfusi hidrogen menjadi helium?
• Mengapa rantai proton-proton mendominasi pada beberapa bintang dan siklus CNO pada bintang lainnya?
• Bagaimana tiga inti helium dapat bergabung menjadi karbon?
• Mengapa pembakaran hidrogen dan helium sangat sensitif terhadap suhu?

Key concepts

• rantai proton-proton
• siklus CNO
• proses triple-alpha
• keadaan Hoyle
• penerowongan kuantum
• puncak Gamow
• penangkapan alfa

Key theories

Pembakaran hidrogen: rantai proton-proton dan siklus CNO

Bintang mengubah hidrogen menjadi helium baik melalui rantai proton-proton, di mana proton berfusi langsung secara bertahap, atau melalui siklus CNO, di mana karbon, nitrogen, dan oksigen bertindak sebagai katalis; siklus CNO jauh lebih sensitif terhadap suhu dan mendominasi pada bintang yang lebih panas dan masif.

Pembakaran helium oleh proses triple-alpha

Pada suhu yang lebih tinggi, tiga inti helium berfusi menjadi karbon-12 melalui intermediat berilium-8 yang berumur pendek dan keadaan tereksitasi resonan karbon yang diprediksi oleh Hoyle; penangkapan alfa lebih lanjut menghasilkan oksigen, menetapkan rasio karbon-terhadap-oksigen di alam semesta.

Mechanisms

Inti bermuatan saling tolak secara elektrostatik, sehingga fusi hanya terjadi melalui penerowongan kuantum pada suhu tinggi inti bintang, membuat laju reaksi sangat bergantung pada suhu. Pembakaran hidrogen secara perlahan membangun inti helium; setelah inti tersebut mencapai sekitar seratus juta kelvin, reaksi triple-alpha menyulut helium menjadi karbon dan oksigen.

Clinical relevance

Reaksi-reaksi ini menentukan keluaran energi, struktur, dan masa hidup bintang deret utama dan bintang raksasa, menetapkan luminositas matahari yang menghangatkan Bumi, dan menghasilkan helium, karbon, dan oksigen yang menjadi benih bagi sisa kimia kosmik; rantai proton-proton matahari juga merupakan sumber neutrino yang digunakan untuk menguji model bintang.

History

Bethe dan von Weizsacker mengembangkan rantai proton-proton dan siklus CNO pada akhir tahun 1930-an, mengidentifikasi pembakaran hidrogen sebagai sumber energi bintang, dan pada tahun 1950-an Salpeter dan Hoyle menetapkan proses triple-alpha, dengan Hoyle memprediksi resonansi karbon yang kemudian dikonfirmasi di laboratorium.

Key figures

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

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

Mengapa Matahari tidak memfusi semua hidrogennya sekaligus?

Laju fusi sangat bergantung pada suhu dan bersifat mengatur diri sendiri: jika inti memanas, ia akan mengembang dan mendingin, memperlambat fusi, sehingga Matahari membakar hidrogennya secara stabil selama miliaran tahun daripada dalam pelarian.

Apa itu keadaan Hoyle?

Ini adalah tingkat energi tereksitasi spesifik dari inti karbon-12 yang keberadaannya diprediksi oleh Fred Hoyle karena proses triple-alpha tidak dapat menghasilkan karbon yang cukup; penemuan eksperimental selanjutnya mengkonfirmasi bagaimana pembakaran helium membangun karbon di bintang.