El ciclo CNO (para carbono – nitrógeno – oxígeno ; a veces llamado ciclo Bethe-Weizsäcker en honor a Hans Albrecht Bethe y Carl Friedrich von Weizsäcker ) es uno de los dos conjuntos conocidos de reacciones de fusión mediante las cuales las estrellas convierten el hidrógeno en helio , siendo el otro el protón. –reacción en cadena de protones (ciclo p – p), que es más eficiente a la temperatura central del Sol . Se supone que el ciclo CNO es dominante en estrellas que son más de 1,3 veces más masivas que el Sol . [1]
A diferencia de la reacción protón-protón, que consume todos sus constituyentes, el ciclo del CNO es un ciclo catalítico . En el ciclo CNO, cuatro protones se fusionan, utilizando isótopos de carbono , nitrógeno y oxígeno como catalizadores, cada uno de los cuales se consume en un paso del ciclo CNO, pero se regenera en un paso posterior. El producto final es una partícula alfa (un núcleo de helio estable ), dos positrones y dos neutrinos electrónicos .
Hay varios caminos alternativos y catalizadores involucrados en los ciclos de CNO, pero todos estos ciclos tienen el mismo resultado neto:
Los positrones se aniquilarán casi instantáneamente con los electrones , liberando energía en forma de rayos gamma . Los neutrinos escapan de la estrella llevándose algo de energía. [2] Un núcleo pasa a convertirse en isótopos de carbono, nitrógeno y oxígeno a través de una serie de transformaciones en un ciclo repetitivo.
La cadena protón-protón es más prominente en estrellas de la masa del Sol o menos. Esta diferencia se debe a diferencias de dependencia de la temperatura entre las dos reacciones; La reacción en cadena de los pp comienza a temperaturas alrededor de4 × 10 6 K [3] (4 megakelvin), lo que la convierte en la fuente de energía dominante en estrellas más pequeñas. Una cadena CNO automantenida comienza aproximadamente en15 × 10 6 K , pero su producción de energía aumenta mucho más rápidamente al aumentar la temperatura [1] , de modo que se convierte en la fuente dominante de energía a aproximadamente17 × 106K . _ _ [4]
El Sol tiene una temperatura central de aproximadamente15,7 × 10 6 K , y sólo1,7% de4ÉlLos núcleos producidos en el Sol nacen en el ciclo CNO.
El proceso CNO-I fue propuesto de forma independiente por Carl von Weizsäcker [5] [6] y Hans Bethe [7] [8] a finales de los años 1930.
Los primeros informes de la detección experimental de los neutrinos producidos por el ciclo CNO en el Sol fueron publicados en 2020 por la colaboración BOREXINO . Esta fue también la primera confirmación experimental de que el Sol tenía un ciclo CNO, que la magnitud propuesta del ciclo era exacta y que von Weizsäcker y Bethe estaban en lo cierto. [2] [9] [10]
En las condiciones típicas que se encuentran en las estrellas, la quema catalítica de hidrógeno mediante los ciclos de CNO está limitada por la captura de protones . Específicamente, la escala de tiempo para la desintegración beta de los núcleos radiactivos producidos es más rápida que la escala de tiempo para la fusión. Debido a las largas escalas de tiempo involucradas, los ciclos fríos de CNO convierten lentamente el hidrógeno en helio, lo que les permite alimentar estrellas en equilibrio inactivo durante muchos años.
El primer ciclo catalítico propuesto para la conversión de hidrógeno en helio se llamó inicialmente ciclo carbono-nitrógeno (ciclo CN), también conocido como ciclo Bethe-Weizsäcker en honor al trabajo independiente de Carl Friedrich von Weizsäcker en 1937-1938. [5] [6] y Hans Bethe . Los artículos de Bethe de 1939 sobre el ciclo CN [7] [8] se basaron en tres artículos anteriores escritos en colaboración con Robert Bacher y Milton Stanley Livingston [11] [12] [13] y que llegaron a ser conocidos informalmente como "La Biblia de Bethe". . Durante muchos años se consideró el trabajo estándar sobre física nuclear y fue un factor importante para que le concedieran el Premio Nobel de Física en 1967 . [14] Los cálculos originales de Bethe sugirieron que el ciclo CN era la principal fuente de energía del Sol. [7] [8] Esta conclusión surgió de una creencia que ahora se sabe que es errónea, de que la abundancia de nitrógeno en el sol es aproximadamente del 10%; en realidad es menos del medio por ciento. [15] El ciclo CN, llamado así porque no contiene ningún isótopo estable de oxígeno, implica el siguiente ciclo de transformaciones: [15]
Este ciclo ahora se entiende como la primera parte de un proceso más amplio, el ciclo CNO, y las principales reacciones en esta parte del ciclo (CNO-I) son: [15]
donde el núcleo de carbono 12 utilizado en la primera reacción se regenera en la última reacción. Después de que los dos positrones emitidos se aniquilan con dos electrones ambientales produciendo un adicional2,04 MeV , la energía total liberada en un ciclo es 26,73 MeV; En algunos textos, los autores incluyen erróneamente la energía de aniquilación de positrones con el valor Q de la desintegración beta y luego descuidan la cantidad igual de energía liberada por la aniquilación, lo que genera una posible confusión. Todos los valores se calculan con referencia a la Evaluación de la masa atómica de 2003. [17]
La reacción limitante (más lenta) en el ciclo CNO-I es la captura de protones en14
7norte
. En 2006 se midió experimentalmente hasta las energías estelares, revisando la edad calculada de los cúmulos globulares en alrededor de mil millones de años. [18]
Los neutrinos emitidos en la desintegración beta tendrán un espectro de rangos de energía, porque aunque el impulso se conserva , el impulso puede compartirse de cualquier forma entre el positrón y el neutrino, cualquiera de los cuales se emite en reposo y el otro le quita toda la energía, o cualquier cosa. en el medio, siempre que se utilice toda la energía del valor Q. El impulso total recibido por el positrón y el neutrino no es lo suficientemente grande como para causar un retroceso significativo del núcleo hijo [a], mucho más pesado , y por lo tanto, su contribución a la energía cinética de los productos, para la precisión de los valores dados aquí, puede ser descuidado. Así, el neutrino emitido durante la desintegración del nitrógeno-13 puede tener una energía desde cero hasta1,20 MeV , y el neutrino emitido durante la desintegración del oxígeno-15 puede tener una energía desde cero hasta1,73 MeV . En promedio, los neutrinos se llevan alrededor de 1,7 MeV de la producción total de energía en cada bucle del ciclo, dejando aproximadamente25 MeV disponibles para producir luminosidad . [19]
En una rama menor de la reacción anterior, que ocurre en el núcleo del Sol el 0,04% del tiempo, la reacción final que involucra15
7norte
mostrado arriba no produce carbono-12 y una partícula alfa, sino que produce oxígeno-16 y un fotón y continúa
En detalle:
Al igual que el carbono, el nitrógeno y el oxígeno involucrados en la rama principal, el flúor producido en la rama secundaria es simplemente un producto intermedio; en estado estacionario, no se acumula en la estrella.
Esta rama subdominante es importante sólo para estrellas masivas. Las reacciones se inician cuando una de las reacciones en CNO-II da como resultado flúor-18 y un fotón en lugar de nitrógeno-14 y una partícula alfa, y continúa
En detalle:
Al igual que el CNO-III, esta rama sólo es significativa en estrellas masivas. Las reacciones se inician cuando una de las reacciones en CNO-III da como resultado flúor-19 y un fotón en lugar de nitrógeno-15 y una partícula alfa, y continúa
En detalle:
En ciertas ocasiones18
9F
puede combinarse con un núcleo de helio para iniciar un ciclo de sodio-neón. [20]
En condiciones de temperatura y presión más altas, como las que se encuentran en las novas y los estallidos de rayos X , la tasa de captura de protones excede la tasa de desintegración beta, empujando la combustión hacia la línea de goteo de protones . La idea esencial es que una especie radiactiva capturará un protón antes de que pueda desintegrarse beta, abriendo nuevas vías de combustión nuclear que de otro modo serían inaccesibles. Debido a las temperaturas más altas involucradas, estos ciclos catalíticos generalmente se denominan ciclos CNO calientes; Debido a que las escalas de tiempo están limitadas por desintegraciones beta en lugar de capturas de protones , también se les llama ciclos CNO limitados por beta. [ se necesita aclaración ]
La diferencia entre el ciclo CNO-I y el ciclo HCNO-I es que13
7norte
captura un protón en lugar de desintegrarse, lo que lleva a la secuencia total
En detalle:
La diferencia notable entre el ciclo CNO-II y el ciclo HCNO-II es que17
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captura un protón en lugar de desintegrarse, y el neón se produce en una reacción posterior en18
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, conduciendo a la secuencia total
En detalle:
Una alternativa al ciclo HCNO-II es que18
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captura un protón que se mueve hacia una masa mayor y utiliza el mismo mecanismo de producción de helio que el ciclo CNO-IV como
En detalle:
Mientras que el número total de núcleos "catalíticos" se conserva en el ciclo, en la evolución estelar las proporciones relativas de los núcleos se alteran. Cuando el ciclo alcanza el equilibrio, la proporción de núcleos de carbono 12/carbono 13 aumenta a 3,5 y el nitrógeno 14 se convierte en el núcleo más numeroso, independientemente de la composición inicial. Durante la evolución de una estrella, los episodios de mezcla convectiva mueven el material dentro del cual ha operado el ciclo CNO, desde el interior de la estrella hacia la superficie, alterando la composición observada de la estrella. Se observa que las estrellas gigantes rojas tienen proporciones más bajas de carbono-12/carbono-13 y carbono-12/nitrógeno-14 que las estrellas de secuencia principal , lo que se considera una evidencia convincente del funcionamiento del ciclo CNO. [21]
Por tanto, este resultado allana el camino hacia una medición directa de la metalicidad solar utilizando neutrinos CNO.
Nuestros hallazgos cuantifican la contribución relativa de la fusión CNO en el Sol en el orden del 1 por ciento;
Pocar señala: "La confirmación de que CNO se quema en nuestro sol, donde opera sólo al uno por ciento, refuerza nuestra confianza en que entendemos cómo funcionan las estrellas".
