トリプルアルファ反応
この核融合反応が起こるのは、温度が約1億K以上の場合に限られ、恒星内部のヘリウムの存在量が多い環境で起こる。典型的な例として、陽子-陽子連鎖反応やCNOサイクルによって作られたヘリウムがたまっている古い恒星の中心部でこの反応が起こる。恒星の中心核で水素による核融合反応が終わると、中心核は自己重力で収縮し、この収縮によって中心温度が十分に高くなるとヘリウムによる核融合反応が始まる。
He 2 4 + 2 4 He ↽ − − ⇀ Be 4 8 + γ {\displaystyle {\ce {{^{4}_{2}He}+_{2}^{4}He<=>{^{8}_{4}Be}+\gamma }}} −91.78 keV {\displaystyle {\mbox{ −91.78 keV}}} 吸熱反応
Be 4 8 + 2 4 He ⟶ C 6 12 + γ {\displaystyle {\ce {{^{8}_{4}Be}+_{2}^{4}He->{^{12}_{6}C}+\gamma }}} +7.367 MeV {\displaystyle {\mbox{ +7.367 MeV}}} 発熱反応
この過程で生じる正味のエネルギーは 7.275 MeV である。
この反応の第1段階で生成される Be は不安定な核種で、約 2.6 ×10 秒で再び2個のHeの原子核に崩壊してしまう。しかしヘリウム燃焼が起きている状態ではこの両方向の反応が平衡状態となり、Be がわずかに存在する状態が実現する。この状態で Be がさらにアルファ粒子を捕獲すると C が作られる。このようにして3個のアルファ粒子が C に変換される反応をトリプルアルファ反応と呼ぶ。
トリプルアルファ反応が実現するためには炭素12原子核がヘリウム4やベリリウム8とほぼ同じエネルギーの共鳴準位を持っていることが不可欠だが、1952年より前には炭素原子核にこのようなエネルギー準位が存在することは知られていなかった。そのため、当時考えられていた元素合成のモデルでは炭素以降の重元素を作ることができず、宇宙に見られる重元素の由来を説明できなかった。これに対して宇宙物理学者のフレッド・ホイルは、「炭素12が現実の宇宙に豊富に存在し、それゆえに我々のような生命も存在できているという事実こそが逆に、トリプルアルファ反応が実際に起こるために必要な共鳴準位が炭素12に存在することの証拠である」という説を最初に唱えた。彼のこのような考え方は現在では人間原理と呼ばれる。ホイルはこの考えを原子核物理学者のウィリアム・ファウラーに示唆した。ファウラーは、確かにそれまでの研究では炭素12にそのような共鳴準位が存在する可能性が見逃されていたことを認めた。ファウラーらの研究グループはこの問題に取り組み、実際に炭素12に7.65MeVに近い共鳴準位が存在することを発見した。ファウラーはこれをきっかけにして、炭素からウランまでの全ての元素が恒星内部で合成されうることを示した歴史的論文(BFH論文)を発表し、この功績によって1983年のノーベル物理学賞を受賞した。