Κύκλος CNO

Ο κύκλος CNO ( άνθρακα - αζώτου - οξυγόνου · μερικές φορές ονομάζεται κύκλος Bethe - Weizsäcker από τους Μπετε και Βάιτσεκερ ) είναι ένας από τα δύο γνωστούς δρόμους αντιδράσεων σύντηξης με τα οποία τα αστέρια μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο, το άλλο είναι η αλυσιδωτή αντίδραση πρωτονίων - πρωτονίων ( κύκλος pp), ο οποίος είναι πιο αποτελεσματικός στη θερμοκρασία που υπάρχει στο κέντρο του Ήλιου . Ο κύκλος CNO πιστεύουμε ότι κυριαρχεί σε αστέρια που υπερβαίνουν κατά 1,3 φορές τη μάζα του Ήλιου . 

Σε αντίθεση με την αντίδραση πρωτονίου-πρωτονίου, η οποία καταναλώνει όλα τα συστατικά της, ο κύκλος CNO είναι καταλυτικός κύκλος . Στον κύκλο CNO, τέσσερα πρωτόνια συντήκονται, χρησιμοποιώντας ως  καταλύτες ισότομα του άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου, καθένας από τους οποίους καταναλώνεται σε ένα βήμα του κύκλου CNO, αλλά επαναδημιουργείται σε μεταγενέστερο στάδιο. Το τελικό προϊόν είναι ένα σωματίδιο άλφα (δηλαδή ένας σταθερός πυρήνας ηλίου ), δύο ποζιτρόνια και δύο νετρίνα ηλεκτρονίων .

Υπάρχουν διάφοροι εναλλακτικοί δρόμοι και καταλύτες που εμπλέκονται στους κύκλους CNO, όλοι αυτοί οι κύκλοι έχουν το ίδιο καθαρό αποτέλεσμα:

 4  11H  + 2 e- →
   →  42He  + 2 e+ +  2 e-  + 2 ve + 3γ + 24.7MeV
→  42He  + 2 ve + 7γ  +  26.7MeV

Τα ποζιτρόνια  εξαϋλώνονται σχεδόν αμέσως μια που αντιδρούν με ηλεκτρόνια, απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή ακτίνων γάμμα . Τα νετρίνα διαφεύγουν από το αστέρι μεταφέροντας μαζί τους μέρος από την ενέργεια.  Ένας πυρήνας μετατρέπεται σε ισότοπα άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου μέσω ενός αριθμού μετασχηματισμών σε έναν συνεχιζόμενο βρόχο.

Η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου είναι πιο σημαντική στα αστέρια με μάζα ίση ή μικρότερη του Ήλιου. Αυτή η διαφορά οφείλεται σε διαφορές εξάρτησης από τη θερμοκρασία μεταξύ των δύο αντιδράσεων. Η αντίδραση αλυσίδας pp εξαρτάται από τη θερμοκρασία εις την τέταρτη δύναμη (εpp~T4) και ξεκινά σε θερμοκρασίες περίπου 4x106 K  (4 megakelvin), καθιστώντας την κυρίαρχη πηγή ενέργειας σε αστέρια μικρότερης μάζας. Μια αυτοσυντηρούμενη αλυσίδα CNO ξεκινά από θερμοκρασία περίπου 15x106 K, αλλά η ενεργειακή της παραγωγή αυξάνεται πολύ πιο γρήγορα με αυξανόμενες θερμοκρασίες (εCNO~T19.9) έτσι ώστε να γίνει η κυρίαρχη πηγή ενέργειας περίπου 17x106 K . 

Ο ήλιος έχει θερμοκρασία στο κέντρο του περίπου 15.7x106 K, και μόνο 1.7% από τους πυρήνες ηλίου-4 (42Ηe) που παράγονται στον Ήλιο δημιουργούνται από τον κύκλο CNO.

Η διαδικασία CNO-I προτάθηκε ανεξάρτητα από τον Carl von Weizsäcker   και Hans Bethe   στα τέλη της δεκαετίας του 1930.

Οι πρώτες αναφορές για την πειραματική ανίχνευση των νετρίνων που παράγονται από τον κύκλο CNO στον Ήλιο δημοσιεύθηκαν το 2020. Αυτή ήταν επίσης η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση ότι ο Ήλιος είχε κύκλο CNO, ότι το προτεινόμενο μέγεθος του κύκλου ήταν ακριβές και ότι οι υπολογισμοί των von Weizsäcker και Bethe ήταν σωστοί.

Κρύοι κύκλοι CNO 
Υπό τις τυπικές συνθήκες που υπάρχουν στα αστέρια, η καταλυτική "καύση" υδρογόνου με τους κύκλους CNO περιορίζεται από τη δέσμευση πρωτονίων. Πιο συγκεκριμένα, η χρονική κλίμακα για τη διάσπαση βήτα των ραδιενεργών πυρήνων που παράγονται είναι ταχύτερη από τη χρονική διάρκεια της σύντηξης. Λόγω των μεγάλων χρονικών κλιμάκων, οι κρύοι κύκλοι CNO μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο αργά, επιτρέποντάς τους να τροφοδοτούν με ενέργεια τα αστέρια σε κατάσταση ισορροπίας για πολλά χρόνια.

CNO-I 
Ο πρώτος  καταλυτικός κύκλος που προτάθηκε για τη μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο ονομαζόταν αρχικά κύκλος άνθρακα-αζώτου (κύκλος CN), που επίσης αναφέρεται ως κύκλος Bethe-Weizsäcker προς τιμήν του ανεξάρτητου έργου του Καρλ Φρίντριχ φον Βάιτσεκερ  το 1937-38   και του Χανς Μπέτε . Οι δημοσιεύσεις του Μπέτε το 1939 για τον κύκλο CN   βασίστηκαν σε τρεις προηγούμενες εργασίες που είχαν γραφεί σε συνεργασία με τους Robert Bacher και Milton Stanley Livingston    και οι οποίες έγιναν ανεπίσημα γνωστές ως η "Βίβλος του Μπέτε" . Θεωρήθηκαν έργο ορόσημο στην πυρηνική φυσική για πολλά χρόνια και ήταν ένας σημαντικός λόγος για την απονομή του βραβείου Νόμπελ Φυσικής στον Μπέτε το 1967.  Οι αρχικοί υπολογισμοί του Μπέτε  έδειξαν ότι ο κύκλος CN ήταν η κύρια πηγή ενέργειας του Ήλιου.   Αυτό το συμπέρασμα προέκυψε από κάτι που σήμερα  γνωρίζουμε ως λανθασμένη υπόθέση: ότι η αφθονία του αζώτου στον ήλιο είναι περίπου 10%, όταν στην πραγματικότητα είναι λιγότερο από το 0.5%.  Ο κύκλος CN, που ονομάζεται έτσι καθώς δεν περιέχει σταθερό ισότοπο οξυγόνου περιλαμβάνει τον ακόλουθο κύκλο μετασχηματισμών: 

 126C → 137N  → 136C  →  147N  →  158O  →  157N  → 126C

Αυτός ο κύκλος θεωρείται πλέον ως το πρώτο μέρος μιας μεγαλύτερης διαδικασίας, του κύκλου CNO, και οι κύριες αντιδράσεις σε αυτό το μέρος του κύκλου (CNO-I) είναι: 

όπου ο πυρήνας άνθρακα-12 που χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη αντίδραση αναγεννάται στην τελευταία αντίδραση. Μετά τα δύο ποζιτρόνια που εκπέμπονται εξαϋλώνονται με δύο ηλεκτρόνια του περιβάλλοντος (η ύλη στο κέντρο του Ήλιου είναι πλήρως ιονισμένη) παράγοντας επιπλέον 2,04 MeV, και η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται σε έναν κύκλο είναι 26,73 MeV. Σε ορισμένα κείμενα, οι συγγραφείς συμπεριλαμβάνουν λανθασμένα την ενέργεια εξαΰλωσης των ποζιτρονίων με την τιμή Q της διάσπασης-β και στη συνέχεια παραμελούν την ίση ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από την εξαΰλωση, οδηγώντας σε πιθανή σύγχυση. Όλες οι τιμές υπολογίζονται με αναφορά στην τιμή της ατομικής μάζας του 2003. 

Η περιοριστική (πιο αργή) αντίδραση στον κύκλο CNO-I είναι η δέσμευση πρωτονίων στο άζωτο-14 (147Ν). Το 2006 αυτή μετρήθηκε πειραματικά σε αστρικές ενέργειες, διορθώνοντας την εκτιμώμενη ηλικία των σφαιρικών σμηνών κατά περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια. 

Τα νετρίνα που εκπέμπονται στη διάσπαση βήτα έχουν ένα ευρύ φάσμα ενεργειών, επειδή παρόλο που η ορμή διατηρείται, η ορμή μπορεί να μοιραστεί με οποιονδήποτε τρόπο μεταξύ του ποζιτρονίου και του νετρίνου, όπου το ένα είτε εκπέμπεται σε ηρεμία με το άλλο να λαμβάνει όλη την ενέργεια, ή το αντίστροφο ή οποιαδήποτε ενδιάμεση επιλογή, αρκεί να χρησιμοποιείται όλη η ενέργεια από την τιμή Q. Η συνολική ορμή  που λαμβάνει  το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο δεν είναι αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει μια σημαντική ανάκρουση του πολύ βαρύτερου άλλου πυρήνα που δημιουργείται στην αντίδραση  και ως εκ τούτου, τη συμβολή του στην κινητική ενέργεια των προϊόντων, για την ακρίβεια των τιμών που δίνονται εδώ, μπορεί να παραμεληθεί. Έτσι, το νετρίνο που εκπέμπεται κατά τη διάσπαση του αζώτου-13 μπορεί να έχει ενέργεια από μηδέν έως 1.20 MeV και το νετρίνο που εκπέμπεται κατά τη διάσπαση του οξυγόνου-15 μπορεί να έχει ενέργεια από μηδέν έως 1.73 MeV. Κατά μέσο όρο, περίπου 1.7 MeV της συνολικής ενεργειακής παραγωγής αφαιρείται από νετρίνα για κάθε βρόχο του κύκλου, αφήνοντας περίπου 25 MeV διαθέσιμα για παραγωγή φωτεινότητας .

CNO-II 
Σε ένα μικρό κλάδο της παραπάνω αντίδρασης, που συμβαίνει στο κέντρο του Ήλιου για περίπου 0,04% του χρόνου, η τελική αντίδραση η οποία περιλαμβάνει άζωτο-15 (157Ν) και φαίνεται παραπάνω δεν παράγει άνθρακα-12 και ένα  σωματίδιο άλφα, αλλά αντ 'αυτού παράγει οξυγόνο-16 και ένα φωτόνιο και συνεχίζει

157N  → 168Ο  →  179F  →  178O  →  147N  → 158O  →  157N

Με μεγαλύτερη λεπτομέρεια:

Όπως ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο που εμπλέκονται στον κύριο κλάδο, το φθόριο  που παράγεται στον δευτερεύοντα κλάδο είναι απλώς ένα ενδιάμεσο προϊόν. Σε σταθερή κατάσταση, δεν συσσωρεύεται στο αστέρι μια που διασπάται στον κύκλο σε 64.49 sec.

CNO-III 
Αυτός ο ασθενής κλάδος είναι σημαντικός μόνο για αστέρια πολύ μεγάλης μάζας. Οι αντιδράσεις ξεκινούν όταν μία από τις αντιδράσεις στο CNO-II έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί φθόριο-18 και ακτίνες-γ αντί για άζωτο-14 και σωματίδιο άλφα και συνεχίζεται

 178 Ο  →  189 F  →  188 O  →  157 N  → 168 O  →  179 F  →  178 O

και πιο λεπτομερώς:

CNO-IV 

Όπως και στον κλάδο CNO-III, αυτός ο κλάδος είναι επίσης σημαντικός μόνο στα αστέρια μεγάλης μάζας. Οι αντιδράσεις ξεκινούν όταν μία από τις αντιδράσεις στο CNO-III έχει ως αποτέλεσμα φθόριο-19 και ακτίνες-γ αντί για άζωτο-15 και σωματίδιο άλφα και συνεχίζεται: 

188Ο  →  199F  →  168O  →  179F  → 178O  →  189F  →  188O 

Λεπτομερώς:

Σε ορισμένες περιπτώσεις το φθόριο-18 (189F) μπορεί να συνδυαστεί με έναν πυρήνα ηλίου για να ξεκινήσει ένας κύκλος νατρίου-νέον.

Ζεστοί κύκλοι CNO 
Υπό συνθήκες υψηλότερης θερμοκρασίας και πίεσης, όπως εκείνες που παρατηρούνται σε εκρήξεις καινοφανών και εκλάμψεις ακτίνων Χ, ο ρυθμός σύλληψης πρωτονίων υπερβαίνει τον ρυθμό της διάσπασης β, ωθώντας τις πυρηνικές αντιδράσεις προς τη ζώνη ευστάθειας του αριθμού πρωτονίων-νετρονίων σε έναν πυρήνα. Η βασική ιδέα είναι ότι ένα ραδιενεργό στοιχείο θα συλλάβει ένα πρωτόνιο προτού μπορέσει να αποσυντεθεί με διάσπαση βήτα, ανοίγοντας νέες οδούς πυρηνικής καύσης που διαφορετικά δεν είναι προσβάσιμοι. Λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών, αυτοί οι καταλυτικοί κύκλοι αναφέρονται συνήθως ως  ζεστοί κύκλοι CNO. Επειδή οι χρονικές κλίμακες περιορίζονται από διασπάσεις βήτα αντί από τη σύλληψη πρωτονίων, ονομάζονται επίσης κύκλοι CNO περιορισμένοι από διάσπαση-β.

HCNO-I 
Η διαφορά μεταξύ του κύκλου CNO-I και του κύκλου HCNO-I είναι ότι το άζωτο-13 (137Ν) συλλαμβάνει ένα πρωτόνιο αντί να αποσυντίθεται, οδηγώντας στη συνολική ακολουθία

 126 C → 137 N  → 148 Ο  →  147 N  →  158 O  →  157 N  → 126 C

Λεπτομερώς:

HCNO-II 
Η αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ του κύκλου CNO-II και του κύκλου HCNO-II είναι ότι το (179F) 

συλλαμβάνει ένα πρωτόνιο αντί να αποσυντίθεται και το νέον που παράγεται δημιουργεί  σε μια επακόλουθη αντίδραση φθόριο-18 (189F), οδηγώντας στη συνολική ακολουθία

157N  → 168Ο  →  179F  →  1810Ne  →  189F  → 158O  →  157N

και πιο λεπτομερώς:

HCNO-III 
Μια εναλλακτική λύση στον κύκλο HCNO-II είναι αυτή όπου φθόριο-18  (189F)  συλλαμβάνει ένα πρωτόνιο αυξάνοντας τη μάζα του και χρησιμοποιεί τον ίδιο μηχανισμό παραγωγής ηλίου με τον κύκλο CNO-IV όπως

 189F  →  1910Ne  →  199F  → 168O  →  179F  →1810Ne  →189F

και αναλυτικά:

Εφαρμογές στην αστρονομία 
Παρά το ότι ο συνολικός αριθμός των "καταλυτικών" πυρήνων διατηρείται στον κύκλο, στην αστρική εξέλιξη οι σχετικές αναλογίες των πυρήνων (και κατά συνέπεια η χημική σύσταση) μεταβάλλονται. Όταν ο κύκλος εκτελείται σε ισορροπία, η αναλογία των πυρήνων άνθρακα-12 / άνθρακα-13 οδηγείται στο λόγο 3,5 και το άζωτο-14 γίνεται ο πιο πολυάριθμος πυρήνας, ανεξάρτητα από την αρχική σύνθεση. Κατά τη διάρκεια της εξέλιξης ενός αστεριού, τα επεισόδια ανάμιξης στο εσωτερικό του άστρου μετακινούν υλικό, μέσα στο οποίο έχει λάβει χώρα ο κύκλος CNO, από το εσωτερικό του αστεριού προς στην επιφάνεια, αλλάζοντας την παρατηρούμενη χημική σύνθεση του αστεριού. Οι ερυθροί γίγαντες   παρατηρείται ότι έχουν χαμηλότερες αναλογίες άνθρακα-12 / άνθρακα-13 και άνθρακα-12 / άζωτο-14 από ότι τα αστέρια της Κύριας Ακολουθίας, γεγονός τα οποίο θεωρείται ως  αποδεικτικό στοιχείο για την ύπαρξη του κύκλου CNO.

Δείτε επίσης 

 Πυρηνική αντίδραση αλυσίδας πρωτονίου-πρωτονίου, όπως βρίσκεται σε μικρά αστέρια όπως ο Ήλιος
 Αστρική πυρηνοσύνθεση, το όλο θέμα
 Διαδικασία τρία-άλφα, πώς  ο άνθρακας-12 (12C)  παράγεται από ελαφρύτερους πυρήνες

Υποσημειώσεις

Βιβλιογραφικές αναφορές 

Αστρική εξέλιξη
Πυρηνική φυσική
Σελίδες με μη επιθεωρημένες μεταφράσεις