トリプルアルファプロセス
トリプルアルファプロセスの概要

トリプルアルファ過程は、3つのヘリウム4原子核（アルファ粒子）が炭素に変化する一連の核融合反応である。[ 1 ] [ 2 ]

星の中で

異なる温度（T）における陽子-陽子（PP）、CNO、トリプルα核融合過程のエネルギー出力（ε）の比較。破線は恒星内部におけるPP過程とCNO過程の合計エネルギー生成量を示す。

陽子-陽子連鎖反応と炭素-窒素-酸素循環の結果として、ヘリウムは星の中心部に蓄積されます。

2つのヘリウム4原子核の核融合反応により、非常に不安定なベリリウム8が生成され、半減期が8.19 × 10 −17  s、その時間内に3番目のアルファ粒子がベリリウム8の原子核と融合し[ 3 ]炭素12の励起共鳴状態[ 4 ]を生成する場合を除きます。この状態はホイル状態と呼ばれます。これはほぼ常に3つのアルファ粒子に崩壊しますが、約2421.3回に1回、エネルギーを放出して炭素12の安定した基本形態に変化します。[ 5 ]星の中心核で融合する水素がなくなると、星は収縮して加熱し始めます。中心温度が10 8 K [ 6 ] 、太陽の中心核の6倍に上昇すると、アルファ粒子はベリリウム8の壁を通過するのに十分な速さで融合し、大量の安定した炭素12を生成できます。

4 2彼+4 2彼→8 4なれ （−0.0918 MeV）
8 4+になる4 2彼→12 6C + 2 γ （+7.367 MeV）

このプロセスで放出される正味エネルギーは 7.275 MeV です。

このプロセスの副作用として、一部の炭素原子核が追加のヘリウムと融合して、酸素とエネルギーの安定同位体を生成します。

12 6C +4 2彼→16 8O + γ (+7.162 MeV)

ヘリウムと水素の核融合反応でリチウム5が生成されるが、これも非常に不安定で、半減期が3.7 × 10 −22 秒。

追加のヘリウム原子核との融合は、アルファ過程として知られる恒星内元素合成の連鎖においてより重い元素を生成する可能性があるが、これらの反応は、トリプルアルファ過程が進行している核よりも高温高圧下でのみ顕著となる。このため、恒星内元素合成によって大量の炭素と酸素が生成されるものの、それらの元素のうちネオンやより重い元素に変換されるのはごくわずかであるという状況が生じる。酸素と炭素は、ヘリウム4の燃焼による主な「灰」である。

中性子星では

伴星から中性子星の表面に降着する物質は、局所的な領域でヘリウム燃焼プロセスを開始する可能性があります。燃焼波は50～500km/sの速度で伝播し、約1秒で表面を横切ると推定されています。この1秒の間に、中性子星は急速に回転し、より明るい燃焼領域が視界に入ったり消えたりします。この強度変調により、回転周波数を測定することができ、時には最大300Hzに達することもあります。

いくつかの中性子星では、600Hzでこのような強度変調が観測されています。その起源として考えられるのは、300Hzで自転する中性子星ですが、2つの燃焼領域を持っています。2つ目の燃焼領域は、最初の燃焼領域のほぼ直後、中性子星のちょうど反対側に形成されると理論づけられています。これは、初期の熱核点火からの重力波の収束によるものです。[ 7 ]

原始炭素

トリプルアルファ過程は、ビッグバン初期の圧力と温度では効果がありません。その結果、ビッグバンでは大量の炭素が生成されませんでした。

共鳴

通常、トリプルアルファ過程の確率は極めて小さい。しかし、ベリリウム8の基底状態は、ほぼ2つのアルファ粒子のエネルギーを持つ。第二段階では、8Be + 4Heは、ほぼ12Cの励起状態 のエネルギーを持つ。この共鳴は、入射するアルファ粒子がベリリウム8と結合して炭素を形成する確率を大幅に高める。この共鳴の存在は、恒星で炭素が形成されるためには、この共鳴の存在が物理的に必要であるという理由から、フレッド・ホイルによって観測前に予言されていた。このエネルギー共鳴と過程の予言、そして発見は、すべての化学元素が元々真の原始物質である水素から形成されたというホイルの恒星内元素合成仮説を支持するものとなった。宇宙で大量の炭素と酸素を生成するために、原子核共鳴が巧妙に配置されているという事実を説明するために、人類原理が引用されてきた。[ 8 ] [ 9 ]

反応速度と恒星の進化

トリプルアルファ段階は、恒星物質の温度と密度に強く依存します。反応によって放出されるエネルギーは、温度の40乗と密度の2乗にほぼ比例します。[ 10 ]対照的に、陽子-陽子連鎖反応は温度の4乗に比例する速度でエネルギーを生成し、CNOサイクルは温度の約17乗に比例し、どちらも密度に比例します。この強い温度依存性は、恒星進化の後期段階である赤色巨星段階に影響を与えます。

赤色巨星分枝の低質量星では、コアに蓄積されたヘリウムのさらなる崩壊を防いでいるのは、電子の縮退圧力のみである。縮退したコア全体は同一の温度と圧力にあるため、密度が十分に高くなると、トリプルアルファ過程による核融合がコア全体で始まる。圧力が縮退を解除するのに十分な高さになるまで、コアはエネルギー生成の増加に応じて膨張することができない。その結果、温度が上昇し、正のフィードバックサイクルにおける反応速度の上昇を引き起こし、暴走反応となる。ヘリウムフラッシュとして知られるこのプロセスは数秒しか続かないが、コア内のヘリウムの60～80%を燃焼させる。コアフラッシュの間、恒星のエネルギー生産量は太陽の10の11乗の光度にまで達し、これは銀河全体の光度に匹敵します。[ 11 ]しかし、そのエネルギーはすべてコアを縮退状態から通常のガス状態へと持ち上げるために消費されるため、表面ではすぐには影響が観察されません。コアはもはや縮退していないため、静水圧平衡が再び確立され、恒星はコアでヘリウムを、そしてコア上部の球状層で水素を「燃焼」し始めます。恒星は安定したヘリウム燃焼期に入り、これは主系列での活動時間の約10%続きます（太陽はヘリウムフラッシュ後、コアで約10億年間ヘリウムを燃焼すると予想されています）。[ 12 ]

漸近巨星枝に沿って進化するより質量の大きい星では、ヘリウムが燃焼するにつれて炭素と酸素がコアに蓄積し、水素の燃焼はより外側の層に移行して、中間のヘリウム殻が形成される。しかし、水素とヘリウムの燃焼の臨界温度と温度感度が異なるため、これらの殻の境界は同じ速度で外側に移動するわけではない。ヘリウム殻の内側の境界の温度がヘリウムの燃焼を維持できるほど高くなくなると、コアは収縮して加熱され、水素殻（したがって星の半径）は外側に膨張する。コアの収縮と殻の膨張は、コアが周囲のヘリウムを再点火できるほど熱くなるまで続く。このプロセスは周期的に続き（約1000年の周期）、このプロセスを受けている星は周期的に明るさが変化する。これらの星は、放射圧によって引き起こされる恒星風によって外層から物質も失い、恒星が惑星状星雲段階に入ると、最終的に超恒星風となる。[ 13 ]

発見

トリプルアルファ過程は、炭素12とベリリウム8がヘリウム4よりわずかに高いエネルギーで共鳴することに大きく依存している。既知の共鳴に基づくと、1952年までに普通の恒星が炭素もより重い元素も生成することは不可能と思われていた。[ 14 ]原子核物理学者のウィリアム・アルフレッド・ファウラーはベリリウム8の共鳴に注目し、エドウィン・サルピーターはこの共鳴を考慮して8 Be、12 C、16 Oの元素合成の反応速度を計算した。 [ 15 ] [ 16 ]しかし、サルピーターは赤色巨星がヘリウムを2·10 8 K以上の温度で燃焼すると計算したのに対し、最近の他の研究では 赤色巨星の核の 温度は1.1·10 8 Kほど低いと仮定されている。

サルペターの論文では、炭素12の未知の共鳴が彼の計算に及ぼす影響について軽く触れられていたが、著者はその後、その詳細を追究することはなかった。1953年、宇宙における炭素12の豊富さを炭素12共鳴の存在の証拠として用いたのは、天体物理学者フレッド・ホイルであった。ホイルが発見した唯一の方法は、炭素と酸素の両方の豊富さを生み出す方法であり、7.68MeV付近の炭素12共鳴を伴うトリプルアルファ過程を通してであり、これはサルペターの計算における矛盾も解消するはずであった。[ 14 ]

ホイルはカリフォルニア工科大学のファウラー研究室を訪れ、炭素12の原子核には7.68MeVの共鳴があるはずだと言った。(約7.5MeVで励起状態にあるという報告はあった。[ 14 ] ) フレッド・ホイルのこの大胆さは注目に値し、当初、研究室の原子物理学者たちは懐疑的だった。最終的に、プロジェクトを探していたライス大学出身の若手物理学者、ウォード・ホエーリングが共鳴を探すことにした。ファウラーはホエーリングに、使われていなかった古いバンデグラフ発電機を使うことを許可した。数か月後、ファウラー研究室が7.65MeV付近で炭素12の共鳴を発見し、彼の予測が立証されたとき、ホイルはケンブリッジに戻っていた。原子物理学者たちは、アメリカ物理学会の夏季会議でホエーリングが発表した論文の第一著者にホイルを指名した。ホイルとファウラーの長く実りある共同研究がすぐに続き、ファウラーはケンブリッジにまでやって来た。[ 17 ]

最終的な反応生成物は0+状態（スピン0、正パリティ）にある。ホイル状態は0+または2+状態のいずれかであると予測されていたため、電子-陽電子対またはガンマ線が観測されると予想された。しかし、実験ではガンマ線放出反応経路は観測されなかったため、状態は0+状態でなければならないことが示された。この状態では、単一のガンマ線放出は少なくとも1単位の角運動量を運び去る必要があるため、単一のガンマ線放出は完全に抑制される。励起された0+状態からの対生成は、それらの結合スピン（0）が角運動量変化が0である反応に結合することができるため可能である。[ 18 ]

不可能性と微調整

炭素は、既知のすべての生命にとって不可欠な成分です。炭素の安定同位体である12Cは、以下の3つの要因により恒星で豊富に生成されます。

  1. 8Be原子核の崩壊寿命は、2つの4He原子核（アルファ粒子）が散乱する時間よりも4桁長い。 [ 19 ]
  2. 12 C原子核の励起状態は、8 Be + 4 Heのエネルギー準位よりわずかに高い（0.3193 MeV）位置にあります。これは、 12 Cの基底状態が8 Be + 4 Heのエネルギー準位より7.3367 MeV低いため必要です。8 Be原子核と4 He原子核は、基底状態の12 C原子核に直接融合することはできません。しかし、8 Beと4 Heは衝突の運動エネルギーを利用して励起状態の12 Cに融合し（運動エネルギーは励起状態に到達するために必要な0.3193 MeVを供給します）、その後、安定した基底状態へと遷移することができます。ある計算によると、この励起状態のエネルギーレベルは、生命が存在するのに十分な炭素を生成するためには約7.3MeVから7.9MeVの間でなければならず、自然界で観測される12Cの豊富なレベルを生成するためには、さらに7.596MeVから7.716MeVの間で「微調整」されなければならない。[ 20 ]ホイル状態は、 12Cの基底状態よりも約7.65MeV高いことが測定されている。[ 21 ]
  3. 12 C + 4 He → 16 Oという反応では、酸素が励起状態にあります。この励起状態が少しでも高ければ共鳴が生じ、反応が加速されます。その場合、自然界には炭素が不足し、ほぼすべてが酸素に変換されてしまうでしょう。[ 19 ]

一部の学者は、特に7.656MeVのホイル共鳴は単なる偶然の産物ではないと主張している。フレッド・ホイルは1982年、ホイル共鳴は「超知性」の証拠であると主張した。[ 14 ]レナード・サスキンドは著書『宇宙の風景』の中で、ホイルのインテリジェント・デザイン論を否定している。[ 22 ]その代わりに、一部の科学者は、広大な「多元宇宙」を構成する異なる宇宙はそれぞれ異なる基本定数を持つと信じている。[ 23 ]この物議を醸す微調整仮説によれば、生命は、基本定数が生命の存在を支えるように微調整されている少数の宇宙でのみ進化できる。他の科学者は、独立した証拠が不足しているとして、多元宇宙仮説を否定している。[ 24 ]

参考文献

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