Горение водорода и гелия

Две реакции, которые питают подавляющее большинство звезд, — это слияние водорода в гелий и, позднее, слияние гелия в углерод; вместе они производят большую часть энергии звезды и первые тяжелые элементы.

Definition

Горение водорода — это слияние четырех ядер водорода в одно ядро гелия, которое питает звезды главной последовательности, а горение гелия — это последующее слияние ядер гелия в углерод и кислород в эволюционировавших звездах.

Scope

Тема охватывает горение водорода посредством протон-протонного цикла, который доминирует в звездах меньшей массы, и углеродно-азотно-кислородного цикла, который доминирует в более массивных звездах, температурную чувствительность этих реакций и горение гелия посредством тройного альфа-процесса вместе с альфа-захватом, который производит кислород.

Core questions

• Как звезды превращают водород в гелий?
• Почему протон-протонный цикл доминирует в одних звездах, а цикл CNO — в других?
• Как три ядра гелия могут объединиться в углерод?
• Почему горение водорода и гелия так чувствительно к температуре?

Key concepts

• протон-протонный цикл
• цикл CNO
• тройной альфа-процесс
• состояние Хойла
• квантовое туннелирование
• пик Гамова
• альфа-захват

Key theories

Горение водорода: протон-протонный цикл и цикл CNO

Звезды превращают водород в гелий либо через протон-протонный цикл, в котором протоны сливаются непосредственно пошагово, либо через цикл CNO, в котором углерод, азот и кислород действуют как катализаторы; цикл CNO гораздо более чувствителен к температуре и доминирует в более горячих, массивных звездах.

Горение гелия посредством тройного альфа-процесса

При более высоких температурах три ядра гелия сливаются в углерод-12 через короткоживущий промежуточный бериллий-8 и резонансное возбужденное состояние углерода, предсказанное Хойлом; дальнейший альфа-захват производит кислород, устанавливая соотношение углерода к кислороду во Вселенной.

Mechanisms

Заряженные ядра отталкиваются друг от друга электростатически, поэтому слияние происходит только за счет квантового туннелирования при высоких температурах звездных ядер, что делает скорости реакций сильно зависящими от температуры. Горение водорода медленно формирует гелиевое ядро; как только это ядро достигает примерно ста миллионов кельвинов, тройная альфа-реакция воспламеняет гелий в углерод и кислород.

Clinical relevance

Эти реакции определяют выход энергии, структуру и продолжительность жизни звезд главной последовательности и гигантов, устанавливают светимость Солнца, которая согревает Землю, и производят гелий, углерод и кислород, которые являются основой остальной космической химии; солнечный протон-протонный цикл также является источником нейтрино, используемых для проверки звездных моделей.

History

Бете и фон Вайцзеккер разработали протон-протонный цикл и цикл CNO в конце 1930-х годов, идентифицировав горение водорода как источник звездной энергии, а в 1950-х годах Солпитер и Хойл установили тройной альфа-процесс, причем Хойл предсказал углеродный резонанс, позднее подтвержденный в лаборатории.

Key figures

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

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

Почему Солнце не сжигает весь свой водород сразу?

Скорость слияния резко зависит от температуры и является саморегулирующейся: если бы ядро нагрелось, оно бы расширилось и остыло, замедляя слияние, поэтому Солнце сжигает свой водород стабильно в течение миллиардов лет, а не в неуправляемом процессе.

Что такое состояние Хойла?

Это специфический возбужденный энергетический уровень ядра углерода-12, существование которого Фред Хойл предсказал, потому что тройной альфа-процесс иначе не смог бы произвести достаточно углерода; его последующее экспериментальное открытие подтвердило, как горение гелия образует углерод в звездах.