Αντίδραση τρία-άλφα

Η διαδικασία τρία- άλφα (3α) είναι ένα σύνολο αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης με τις οποίες τρεις πυρήνες ηλίου-4 (, σωματίδια άλφα) μετατρέπονται σε άνθρακα-12 ().

Η διαδικασία τρία-άλφα στα αστέρια 
Το ήλιο συσσωρεύεται στους πυρήνες των αστεριών ως αποτέλεσμα είτε της αλυσιδωτής αντίδρασης πρωτονίου-πρωτονίου είτε του κύκλου άνθρακα-αζώτου-οξυγόνου .

Η αντίδραση πυρηνικής σύντηξης δύο πυρήνων  παράγει βηρύλλιο-8 (), το οποίο είναι εξαιρετικά ασταθές και αποσυντίθεται σε μικρότερους πυρήνες με χρόνο ημιζωής 8.19x10-17 sec, εκτός εάν μέσα σε αυτό το χρονικό διάστημα ένα τρίτο σωματίδιο άλφα προλάβει να συντηχθεί και αυτό με τον πυρήνα του  για να παράγει μια διεγερμένη κατάσταση συντονισμού του άνθρακα-12 (η οποία συχνά συμβολίζεται ως *, με το * να υποδηλώνει τη διέγερση), που ονομάζεται κατάσταση Hoyle. Η κατάσταση αυτή  σχεδόν πάντα αποσυντίθεται σε τρία σωματίδια άλφα, αλλά περίπου μια στις 2421,3 φορές απελευθερώνει την ενέργεια διέγερσης ομαλά και αλλάζει στη σταθερή μορφή ενός ευσταθή πυρήνα άνθρακα-12 ().  

Όταν ένα αστέρι εξαντλήσει το διαθέσιμο για σύντηξη υδρογόνο  στον πυρήνα του, αρχίζει να συστέλλεται και να θερμαίνεται. Εάν η θερμοκρασία στο κέντρο του αστεριού αυξηθεί στους 108 K,  δηλαδή έξι περίπου φορές πιο μεγάλη από αυτή που υπάρχει τώρα στο κέντρο του Ήλιου, τα σωματίδια άλφα κινούνται πολύ γρήγορα και μπορούν στο σύντομο χρόνο ζωής του βηρυλλίου-8 να συντηχθούν μαζί του και να μπορέσουν να παράγουν τελικά σημαντικές ποσότητες ευσταθούς άνθρακα-12 σύμφωνα με την ακόλουθη διαδικασία:

Η καθαρή  απελευθέρωση ενέργειας από την όλη διαδικασία  είναι 7.275 MeV.

Ως παρενέργεια της διαδικασίας, ορισμένοι πυρήνες άνθρακα συντήκονται με επιπλέον διαθέσιμο ήλιο-4 για την παραγωγή ενός σταθερού ισοτόπου οξυγόνου-16 (168O) και απελευθέρωση ενέργειας:

 +    →     + γ (+7.162 MeV)

Οι αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης ηλίου με υδρογόνο παράγουν λίθιο-5, το οποίο επίσης είναι εξαιρετικά ασταθές και αποσυντίθεται σε μικρότερους πυρήνες με χρόνο ημιζωής 3.7x10-22 sec.

Η σύντηξη του  και του   με πρόσθετους πυρήνες ηλίου μπορεί να δημιουργήσει βαρύτερα στοιχεία με μια αλυσίδα αστρικής πυρηνοσύνθεσης γνωστή ως διαδικασία άλφα, αλλά αυτές οι αντιδράσεις είναι σημαντικές μόνο σε υψηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις από αυτές που υπάρχουν στα κέντρα των αστεριών όπου λαμβάνει χώρα η διαδικασία 3α. Επομένως η αστρική πυρηνοσύνθεση παράγει μεγάλες ποσότητες άνθρακα και οξυγόνου, αλλά μόνο ένα μικρό κλάσμα αυτών των στοιχείων μετατρέπεται τελικά σε νέον και βαρύτερα στοιχεία. Το οξυγόνο και ο άνθρακας είναι η κύρια «τέφρα» της πυρηνικής αυτής καύσης .

Πρωταρχικός άνθρακας 
Η διαδικασία τρία-άλφα (3α) είναι αναποτελεσματική στις πιέσεις και τις θερμοκρασίες οι οποίες υπήρχαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη . Μια συνέπεια αυτού είναι ότι δεν παρήχθη σημαντική ποσότητα άνθρακα από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Πυρηνικοί Συντονισμοί 
Συνήθως, η πιθανότητα να συμβεί η διαδικασία 3α είναι εξαιρετικά μικρή. Ωστόσο, η βασική ενεργειακή κατάσταση  του βηρυλλίου-8 έχει σχεδόν ακριβώς την ενέργεια δύο σωματιδίων άλφα. Στο δεύτερο βήμα της αντίδρασης το   +  έχει σχεδόν ακριβώς την ενέργεια μιας διεγερμένης κατάστασης . Αυτός ο συντονισμός αυξάνει σημαντικά την πιθανότητα ώστε ένα εισερχόμενο σωματίδιο άλφα να συνδεθεί με το  για να σχηματίσει άνθρακα. Η ύπαρξη αυτού του συντονισμού είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τον Φρεντ Χόυλ πριν από την πραγματική παρατήρησή του, με βάση τη φυσική ανάγκη να μπορεί να σχηματιστεί άνθρακας στα αστέρια, ώστε να υπάρχει στο Σύμπαν στην παρατηρούμενη αφθονία. Η πρόβλεψη και στη συνέχεια, η ανακάλυψη αυτού του ενεργειακού συντονισμού και διαδικασίας έδωσε πολύ σημαντική υποστήριξη στην υπόθεση του Hoyle για την αστρική πυρηνοσύνθεση, σύμφωνα με την οποία όλα τα χημικά στοιχεία είχαν αρχικά σχηματιστεί από το υδρογόνο, την πραγματική αρχέγονη ουσία. Η ανθρωπική αρχή έχει προταθεί για να εξηγήσει το γεγονός ότι οι πυρηνικοί συντονισμοί είναι ευαίσθητα διατεταγμένοι ώστε να δημιουργούν μεγάλες ποσότητες άνθρακα και οξυγόνου στο σύμπαν.

Πυρηνική σύνθεση βαρέων στοιχείων 
Με περαιτέρω αυξήσεις της θερμοκρασίας και της πυκνότητας, οι διεργασίες σύντηξης παράγουν νουκλίδια (πυρήνες χημικών στοιχείων) μόνο έως το νικέλιο-56 ()το οποίο αποσυντίθεται αργότερα σε σίδηρο). Βαρύτερα στοιχεία (εκείνα πέρα από το ) δημιουργούνται κυρίως από τη σύλληψη νετρονίων. Η αργή σύλληψη νετρονίων, η διαδικασία s, παράγει περίπου τα μισά στοιχεία πέρα από το σίδηρο. Τα άλλα μισά παράγονται με ταχεία σύλληψη νετρονίων, τη διαδικασία r, η οποία πιθανώς συμβαίνει κατά την βαρυτική κατάρρευση του πυρήνα σε υπερκαινοφανείς και συγχωνεύσεις αστέρων νετρονίων.

Ρυθμός αντίδρασης και αστρική εξέλιξη 
Τα βήματα της αντίδρασης τρία-άλφα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και την πυκνότητα του αστρικού υλικού. Η ισχύς ανά μονάδα μάζας που απελευθερώνεται από την αντίδραση είναι περίπου ανάλογη της θερμοκρασίας στην 41η δύναμη και την πυκνότητα στο τετράγωνο (ε3α~ρ2Τ41).  Αντίθετα, η αλυσιδωτή αντίδραση πρωτονίων-πρωτονίων παράγει ενέργεια ανά μονάδα μάζας με ρυθμό ανάλογο προς την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας (εpp~ρΤ4), και ο κύκλος CNO περίπου στην 20η δύναμη της θερμοκρασίας (εCNO~ρΤ19.9), ενώ και οι δύο είναι γραμμικά ανάλογοι με την πυκνότητα. Αυτή η ισχυρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία έχει ιδιαίτερα συνέπειες για το τελευταίο στάδιο της αστρικής εξέλιξης, τον κόκκινο γίγαντα .

Για αστέρια μάζα έως 5 περίπου φορές της μάζας του Ήλιου, κατά τη διάρκεια της εξέλιξής τους στον κλάδο των γιγάντων, το ήλιο που συσσωρεύεται στον πυρήνα αποτρέπεται από την περαιτέρω βαρυτική κατάρρευση λόγω της κβαντομηχανικής πίεσης των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων, η οποία δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία αλλά μόνο από την πυκνότητα (P~ρ5/3). Επιπλέον λόγω της μεγάλης θερμικής του αγωγιμότητας ολόκληρος ο εκφυλισμένος πυρήνας βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία και πίεση. Όταν η μάζα του πυρήνα αυξηθεί αρκετά και η θερμοκρασία του ξεπεράσει τους 108Κ η σύντηξη μέσω της αντίδρασης 3α ξεκινά σε ολόκληρο τον πυρήνα. Μια που αρχικά είναι η κβαντομηχανική πίεση (η οποία όπως αναφέραμε δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία) που υποστηρίζει τη βαρυτική πίεση, ο πυρήνας δεν μπορεί να εκτονωθεί ως απάντηση στην αυξημένη παραγωγή ενέργειας. Η πίεση ιδανικού αερίου (P~ρkBT) και η πίεση ακτινοβολίας (P~αΤ4) στον πυρήνα εξακολουθούν αρχικά να είναι πολύ μικρές σε σχέση με την κβαντομηχανική πίεση (P~ρ5/3). Επομένως θερμοκρασία του συνεχίζει να αυξάνει λόγω της παραγωγής ενέργειας από την αντίδραση 3α η οποία γίνεται όλο και με πιο γρήγορο εκρηκτικό ρυθμό λόγω της πολύ  έντονης εξάρτησης που όπως αναφέραμε έχει από τη θερμοκρασία (ε3α~ρ2Τ40).  Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως έκλαμψη ηλίου, διαρκεί λίγα δευτερόλεπτα, αλλά "καίει" το 60-80% του ηλίου στον πυρήνα ενός άστρου, μετατρέποντας το σε άνθρακα-12 (). Κατά τη διάρκεια  της έκλαμψης ηλίου, η παραγωγή ενέργειας του αστεριού μπορεί να φθάσει περίπου 1011 ηλιακές φωτεινότητες(=3.98x1026 W) που είναι συγκρίσιμη με τη φωτεινότητα ενός ολόκληρου γαλαξία . Αυτό όμως δεν είναι άμεσα παρατηρήσιμο μια που η έκρηξη αυτή γίνεται στο εσωτερικό του αστεριού και ολόκληρη σχεδόν η ενέργεια χρησιμοποιείται για να ανυψώσει τα ηλεκτρόνια του πυρήνα από την εκφυλισμένη κατάσταση στην κανονική, όπου πλέον συμπεριφέρονται ως ιδανικό αέριο. Δεδομένου ότι ο πυρήνας δεν πλέον εκφυλισμένος, η υδροστατική ισορροπία επανέρχεται για άλλη μια φορά και το αστέρι αρχίζει να "καίει" ήλιο στον πυρήνα του μετατρέποντάς τον σε άνθρακα. Επιπλέον  το υδρογόνο που βρίσκεται σε ένα σφαιρικό φλοιό πάνω από τον πυρήνα αρχίζει και μετατρέπεται (να "καίγεται") σε ήλιο. Το αστέρι μπαίνει σε μια σταθερή φάση καύσης ηλίου σε άνθρακα στον πυρήνα του, η οποία διαρκεί περίπου το 10% του χρόνου που αφιέρωσε στην κύρια ακολουθία (ο Ήλιος μας αναμένεται να κάψει ήλιο στον πυρήνα του για περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά την "έκλαμψη ηλίου")  .

Για αστέρια μάζας μεγαλύτερης από 5 περίπου φορές αυτής του Ήλιου, η θερμοκρασία στον πυρήνα τους είναι αρκετά υψηλή και τα ηλεκτρόνια δεν βρίσκονται ποτέ σε κατάσταση εκφυλισμού. Έτσι η αντίδραση 3α ξεκινά υπό κανονικές συνθήκες και ο άνθρακας που δημιουργείται αρχίζει συγκεντρώνεται στον πυρήνα, μετατοπίζοντας το ήλιο σε ένα περιβάλλον κέλυφος. Εκεί συμβαίνει η καύση ηλίου σε άνθρακα με την αντίδραση 3α. Σε αυτό το κέλυφος ηλίου, οι πιέσεις είναι χαμηλότερες και έτσι η βαρυτική πίεση εξακολουθεί να μην υποστηρίζεται από την κβαντομηχανική πίεση των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων, αλλά από την πίεση των ιδανικών αερίων και της πίεσης ακτινοβολίας. Έτσι το κέλυφος είναι ικανό να διογκωθεί ως απόκριση στη αυξημένη θερμική πίεση από κάτω προς το κέλυφος ηλίου. Η αύξηση αυτή του όγκου ψύχει  το κέλυφος και επιβραδύνει την αντίδραση, αναγκάζοντας το αστέρι να συρρικνωθεί ξανά. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται κυκλικά, και τα αστέρια που υποβάλλονται σε αυτήν τη διαδικασία θα έχουν περιοδικά μεταβαλλόμενη ακτίνα και αντίστοιχα μεταβαλλόμενη παραγωγή ισχύος. Η μεταβλητή αυτή διαδικασία οδηγεί τα αστέρια να χάσουν επίσης υλικό από τα εξωτερικά τους στρώματα καθώς διαστέλλονται και συστέλλονται.

Ανακάλυψη της αντίδρασης 
Η αντίδραση τρία-άλφα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον  και το  που έχουν πυρηνικούς συντονισμούς με ελαφρώς περισσότερη ενέργεια από το  . Με βάση γνωστούς πυρηνικούς συντονισμούς, το 1952 φαινόταν αδύνατο για τα συνηθισμένα αστέρια να παράγουν άνθρακα καθώς και οποιοδήποτε βαρύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα . Ο πυρηνικός φυσικός William Alfred Fowler είχε παρατηρήσει τον συντονισμό του βηρυλλίου-8 και ο Edwin Salpeter είχε υπολογίσει τον ρυθμό αντίδρασης για τη πυρηνοσύνθεση ,  και  λαμβάνοντας υπόψη αυτόν τον συντονισμό.   Ο Salpeter είχε υπολογίσει ότι οι κόκκινοι γίγαντες μετατρέπουν το ήλιο σε άνθρακα σε θερμοκρασίες 2x108 Κ ή υψηλότερες. Πιο πρόσφατες εργασίες εκτιμούν ότι ακόμη και πιο χαμηλές θερμοκρασίες, από 1.1x 108 K και πάνω, είναι ικανές για κάνουν την αντίδραση αυτή στον πυρήνα ενός ερυθρού γίγαντα.

Η θεμελιώδης αυτή εργασία του Salpeter ανέφερε τις συνέπειες που θα είχαν οι άγνωστοι τότε συντονισμοί του άνθρακα-12 στους υπολογισμούς, αλλά ο συγγραφέας δεν τους ανέπτυξε αναλυτικά. Αντίθετα, ήταν ο αστροφυσικός Fred Hoyle, που το 1953 χρησιμοποίησε την παρατηρούμενη αφθονία του άνθρακα στο Σύμπαν ως ισχυρή ένδειξη για την ύπαρξη ενός πυρηνικού συντονισμού στον . Ο μόνος τρόπος σύμφωνα με τον Hoyle που θα μπορούσε να παραχθεί σε αφθονία τόσο άνθρακας όσο και οξυγόνο ήταν μέσω μιας διαδικασίας τρία-άλφα με συντονισμό  κοντά στα 7,68 MeV, το οποίο θα εξάλειφε επίσης τη διαφορά στους υπολογισμούς του Salpeter. 

Ο Hoyle επισκέφθηκε το εργαστήριο του Fowler στο Caltech και τους προέτρεψε να διερευνήσουν εάν υπάρχει συντονισμός στα 7,68 MeV στον πυρήνα του . (Είχαν υπάρξει ήδη κάποιες αναφορές για μια διεγερμένη κατάσταση σε περίπου 7,5 MeV. ) Η τόλμη του Fred Hoyle να το κάνει αυτό είναι αξιοσημείωτη και αρχικά οι πυρηνικοί φυσικοί στο εργαστήριο ήταν δύσπιστοι. Ένας νεαρός φυσικός όμως, ο Ward Whaling, φρέσκος από το Πανεπιστήμιο Rice, ο οποίος έψαχνε να ασχοληθεί με κάποιο ενδιαφέρον πρόβλημα  αποφάσισε να αναζητήσει το συγκεκριμένο συντονισμό. Ο Fowler έδωσε στη Whaling άδεια να χρησιμοποιήσει μια παλιά γεννήτρια Van de Graaff που δεν χρησιμοποιόταν εκείνη την περίοδο. Ο Hoyle ήταν ήδη πίσω στο Cambridge όταν λίγους μήνες αργότερα το εργαστήριο του Fowler ανακάλυψε έναν συντονισμό στον άνθρακα-12 κοντά στα 7,65 MeV, επιβεβαιόντας την πρόβλεψή του. Οι πυρηνικοί φυσικοί πρόσθεσαν τον Hoyle ως τον πρώτο συγγραφέα στην εργασία που παρουσίασε ο Whaling στο θερινό συνέδριο της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής, πάνω στην ανακάλυψη αυτή. Ακολούθησε σύντομα μια μακρά και γόνιμη συνεργασία μεταξύ Hoyle και Fowler, με τον Fowler να επισκέπτεται το Cambridge. 

Το τελικό προϊόν της αντίδρασης στηρίζεται στην κατάσταση 0+ (σπιν 0 και θετική ισοτιμία). Δεδομένου ότι η λεγόμενη "κατάσταση Hoyle" προβλεπόταν να είναι είτε σε κατάσταση 0+ είτε 2+, αναμενόταν να εμφανιστούν είτε ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων είτε ακτίνων γάμμα. Ωστόσο, όταν πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα, το κανάλι αντίδρασης εκπομπών γάμμα δεν παρατηρήθηκε και αυτό σήμαινε ότι η κατάσταση πρέπει να είναι η 0+. Αυτή η κατάσταση καταστέλλει πλήρως τις εκπομπές ακτιβολίας γάμμα, δεδομένου ότι η εκπομπή ενός μόνο γάμμα πρέπει να μεταφέρει τουλάχιστον 1 μονάδα γωνιακής ορμής . Η παραγωγή ζεύγους ακτίνων γάμμα από μια διεγερμένη κατάσταση 0+ είναι δυνατή επειδή οι συνδυασμένα σπίν τους (0) μπορούν να αντιστοιχούν σε μια αντίδραση που έχει αλλαγή στη γωνιακή ορμή του 0.

Μικρή πιθανότητα και βελτιστοποίηση 
Ο άνθρακας είναι απαραίτητο συστατικό όλων των γνωστών μορφών ζωής. Συγκεκριμένα ο , ένα σταθερό ισότοπο άνθρακα, παράγεται άφθονα σε αστέρια λόγω τριών παραγόντων:

 Η διάρκεια ζωής της αποσύνθεσης ενός πυρήνα  είναι τέσσερις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από το χρόνο για να σκεδαστούν δύο πυρήνες  (σωματίδια άλφα). 
 Μια διεγερμένη κατάσταση του πυρήνα  υπάρχει ελάχιστα πάνω (0,3193 MeV)  από το επίπεδο ενέργειας των  + . Αυτό είναι απαραίτητο επειδή η βασική κατάσταση του  είναι 7.3367 MeV κάτω από την ενέργεια των  + . Επομένως, ένας πυρήνας 8Be και ένας πυρήνας  δεν μπορούν να συντηχθούν απευθείας σε έναν πυρήνα  στη βασική κατάσταση. Η διεγερμένη "κατάσταση Hoyle" του  είναι 7.656 MeV πάνω από την βασική κατάσταση εδάφους του . Αυτό επιτρέπει στους πυρήνες  και 4He να χρησιμοποιήσουν την κινητική ενέργεια της σύγκρουσης τους για να συντηχθούν σε διεγερμένους πυρήνες *, οι οποίοι μπορούν στη συνέχεια να μεταβούν στη βασική ευσταθή τους κατάσταση. Σύμφωνα με έναν υπολογισμό, το επίπεδο ενέργειας αυτής της διεγερμένης κατάστασης πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ περίπου 7.3 και 7.9 MeV για την παραγωγή επαρκούς ποσότητας άνθρακα ώστε να υπάρξει ζωή, και πρέπει να "βελτιωθεί περαιτέρω", μεταξύ 7.596MeV και 7.716MeV, προκειμένου να παραχθεί η άφθονη ποσότητα  που παρατηρείται στη φύση. 
 Στην αντίδραση  +  → , υπάρχει μια διεγερμένη κατάσταση οξυγόνου η οποία, εάν ήταν ελαφρώς υψηλότερη, θα παρείχε έναν συντονισμό και θα επιταχύνει την αντίδραση. Σε αυτήν την περίπτωση, θα υπήρχε ανεπαρκής ποσότητα άνθρακα στη φύση μια που σχεδόν όλο θα είχε μετατραπεί σε οξυγόνο. 

Ορισμένοι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι ο συντονισμός 7.656 MeV του Hoyle, είναι απίθανο να είναι προϊόν απλής τύχης. Ο ίδιο ο Φρεντ Χόιλ υποστήριξε το 1982 ότι ο λεγόμενος "συντονισμός Χόιλ" ήταν απόδειξη ότι υπάρχει ένα «υπερνοήμον ον".  Ο Leonard Susskind στο βιβλίο του "The Cosmic Landscape" απορρίπτει το επιχείρημα του ευφυή σχεδιασμού του Hoyle. Αντ 'αυτού, ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί με την υπόθεση ότι διαφορετικά σύμπαντα, τμήματα ενός τεράστιου "πολλαπλού σύμπαντος", έχουν διαφορετικές θεμελιώδεις σταθερές:  Σύμφωνα με αυτήν την αμφιλεγόμενη υπόθεση, η ζωή μπορεί να εξελιχθεί μόνο στη μειοψηφία των συμπάντων όπου τυχαίνει απλά οι θεμελιώδεις σταθερές να είναι έτσι προσαρμοσμένες ώστε να υποστηρίζεται η ύπαρξη της ζωής. Άλλοι επιστήμονες απορρίπτουν αυτήν την υπόθεση λόγω της έλλειψης ανεξάρτητων στοιχείων.

Βιβλιογραφικές αναφορές 

Αστρική εξέλιξη
Πυρηνική φυσική