El proceso triple alfa es un conjunto de reacciones de fusión nuclear mediante las cuales tres núcleos de helio-4 ( partículas alfa ) se transforman en carbono . [1] [2]
El helio se acumula en los núcleos de las estrellas como resultado de la reacción en cadena protón-protón y del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno .
La reacción de fusión nuclear de dos núcleos de helio-4 produce berilio-8 , que es altamente inestable y se desintegra en núcleos más pequeños con una vida media de8,19 × 10 −17 s , a menos que dentro de ese tiempo una tercera partícula alfa se fusione con el núcleo de berilio-8 [3] para producir un estado de resonancia excitado de carbono-12 , [4] llamado estado de Hoyle , que casi siempre se desintegra de nuevo en tres partículas alfa, pero una vez cada 2421,3 veces aproximadamente libera energía y cambia a la forma de base estable de carbono-12. [5] Cuando una estrella se queda sin hidrógeno para fusionar en su núcleo, comienza a contraerse y calentarse. Si la temperatura central aumenta a 10 8 K, [6] seis veces más caliente que el núcleo del Sol, las partículas alfa pueden fusionarse lo suficientemente rápido como para atravesar la barrera de berilio-8 y producir cantidades significativas de carbono-12 estable.
La liberación neta de energía del proceso es 7,275 MeV.
Como efecto secundario del proceso, algunos núcleos de carbono se fusionan con helio adicional para producir un isótopo estable de oxígeno y energía:
Las reacciones de fusión nuclear de helio con hidrógeno producen litio-5 , que también es muy inestable y se desintegra en núcleos más pequeños con una vida media de3,7 × 10 −22 s .
La fusión con núcleos de helio adicionales puede crear elementos más pesados en una cadena de nucleosíntesis estelar conocida como proceso alfa , pero estas reacciones solo son significativas a temperaturas y presiones más altas que en los núcleos que experimentan el proceso triple alfa. Esto crea una situación en la que la nucleosíntesis estelar produce grandes cantidades de carbono y oxígeno, pero solo una pequeña fracción de esos elementos se convierte en neón y elementos más pesados. El oxígeno y el carbono son las principales "cenizas" de la combustión del helio-4.
El proceso triple alfa es ineficaz a las presiones y temperaturas de comienzos del Big Bang . Una consecuencia de esto es que no se produjo una cantidad significativa de carbono en el Big Bang.
Por lo general, la probabilidad de que se produzca el proceso triple alfa es extremadamente pequeña. Sin embargo, el estado fundamental del berilio-8 tiene casi exactamente la energía de dos partículas alfa. En el segundo paso, el 8 Be + 4 He tiene casi exactamente la energía de un estado excitado de 12 C. Esta resonancia aumenta en gran medida la probabilidad de que una partícula alfa entrante se combine con el berilio-8 para formar carbono. La existencia de esta resonancia fue predicha por Fred Hoyle antes de su observación real, basándose en la necesidad física de que exista para que se forme carbono en las estrellas. La predicción y el posterior descubrimiento de esta resonancia energética y del proceso dieron un apoyo muy significativo a la hipótesis de Hoyle sobre la nucleosíntesis estelar , que postulaba que todos los elementos químicos se habían formado originalmente a partir del hidrógeno, la verdadera sustancia primordial. Se ha citado el principio antrópico para explicar el hecho de que las resonancias nucleares están ordenadas de forma sensible para crear grandes cantidades de carbono y oxígeno en el universo. [7] [8]
Con mayores aumentos de temperatura y densidad, los procesos de fusión producen nucleidos solo hasta el níquel-56 (que se desintegra más tarde en hierro ); los elementos más pesados (aquellos más allá del Ni) se crean principalmente por captura de neutrones. La captura lenta de neutrones, el proceso s , produce aproximadamente la mitad de los elementos más allá del hierro. La otra mitad se produce por captura rápida de neutrones, el proceso r , que probablemente ocurre en supernovas de colapso de núcleo y fusiones de estrellas de neutrones . [9]
Los pasos de triple alfa dependen en gran medida de la temperatura y la densidad del material estelar. La energía liberada por la reacción es aproximadamente proporcional a la temperatura elevada a la 40.ª potencia y a la densidad al cuadrado. [10] En cambio, la reacción en cadena protón-protón produce energía a una tasa proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, el ciclo CNO a aproximadamente la 17.ª potencia de la temperatura, y ambas son linealmente proporcionales a la densidad. Esta fuerte dependencia de la temperatura tiene consecuencias para la última etapa de la evolución estelar, la etapa de gigante roja .
En el caso de las estrellas de menor masa de la rama de las gigantes rojas , la única forma de evitar que el helio acumulado en el núcleo colapse aún más es mediante la presión de degeneración de electrones . Todo el núcleo degenerado está a la misma temperatura y presión, por lo que cuando su densidad se vuelve lo suficientemente alta, comienza la fusión a través del proceso triple alfa en todo el núcleo. El núcleo no puede expandirse en respuesta al aumento de la producción de energía hasta que la presión sea lo suficientemente alta como para levantar la degeneración. Como consecuencia, la temperatura aumenta, lo que provoca un aumento de la velocidad de reacción en un ciclo de retroalimentación positiva que se convierte en una reacción descontrolada . Este proceso, conocido como destello de helio , dura unos segundos pero quema entre el 60 y el 80 % del helio del núcleo. Durante el destello del núcleo, la producción de energía de la estrella puede alcanzar aproximadamente 10 11 luminosidades solares , lo que es comparable a la luminosidad de una galaxia entera [11] , aunque no se observarán efectos inmediatamente en la superficie, ya que toda la energía se utiliza para elevar el núcleo del estado degenerado al estado normal y gaseoso. Como el núcleo ya no está degenerado, se restablece el equilibrio hidrostático y la estrella comienza a "quemar" helio en su núcleo e hidrógeno en una capa esférica sobre el núcleo. La estrella entra en una fase de combustión constante de helio que dura aproximadamente el 10% del tiempo que pasó en la secuencia principal (se espera que el Sol queme helio en su núcleo durante aproximadamente mil millones de años después del destello de helio). [12]
En las estrellas de mayor masa, que evolucionan a lo largo de la rama gigante asintótica , el carbono y el oxígeno se acumulan en el núcleo a medida que se quema el helio, mientras que la quema de hidrógeno se desplaza a capas más alejadas, lo que da lugar a una capa intermedia de helio. Sin embargo, los límites de estas capas no se desplazan hacia afuera al mismo ritmo debido a las diferentes temperaturas críticas y sensibilidades de temperatura para la quema de hidrógeno y helio. Cuando la temperatura en el límite interior de la capa de helio ya no es lo suficientemente alta como para sostener la quema de helio, el núcleo se contrae y se calienta, mientras que la capa de hidrógeno (y, por tanto, el radio de la estrella) se expande hacia afuera. La contracción del núcleo y la expansión de la capa continúan hasta que el núcleo se calienta lo suficiente como para volver a encender el helio circundante. Este proceso continúa cíclicamente, con un período del orden de 1000 años, y las estrellas que experimentan este proceso tienen una luminosidad periódicamente variable. Estas estrellas también pierden material de sus capas externas en un viento estelar impulsado por la presión de radiación , que finalmente se convierte en un superviento cuando la estrella entra en la fase de nebulosa planetaria . [13]
El proceso triple alfa depende en gran medida de que el carbono-12 y el berilio-8 tengan resonancias con ligeramente más energía que el helio-4 . Basándose en las resonancias conocidas, en 1952 parecía imposible que las estrellas ordinarias produjeran carbono tan bien como cualquier elemento más pesado. [14] El físico nuclear William Alfred Fowler había notado la resonancia del berilio-8, y Edwin Salpeter había calculado la velocidad de reacción para la nucleosíntesis de 8 Be, 12 C y 16 O teniendo en cuenta esta resonancia. [15] [16] Sin embargo, Salpeter calculó que las gigantes rojas quemaban helio a temperaturas de 2·10 8 K o superiores, mientras que otros trabajos recientes plantearon la hipótesis de temperaturas tan bajas como 1,1·10 8 K para el núcleo de una gigante roja.
El artículo de Salpeter mencionaba de pasada los efectos que resonancias desconocidas en el carbono-12 tendrían en sus cálculos, pero el autor nunca hizo ningún seguimiento de ellos. Fue en cambio el astrofísico Fred Hoyle quien, en 1953, utilizó la abundancia de carbono-12 en el universo como evidencia de la existencia de una resonancia de carbono-12. La única forma en que Hoyle pudo encontrar que eso produciría una abundancia tanto de carbono como de oxígeno fue a través de un proceso triple alfa con una resonancia de carbono-12 cercana a 7,68 MeV, que también eliminaría la discrepancia en los cálculos de Salpeter. [14]
Hoyle fue al laboratorio de Fowler en Caltech y dijo que tenía que haber una resonancia de 7,68 MeV en el núcleo de carbono-12. (Había habido informes de un estado excitado a unos 7,5 MeV. [14] ) La audacia de Fred Hoyle al hacer esto es notable, e inicialmente, los físicos nucleares del laboratorio se mostraron escépticos. Finalmente, un físico junior, Ward Whaling, recién llegado de la Universidad Rice , que estaba buscando un proyecto decidió buscar la resonancia. Fowler le permitió a Whaling utilizar un viejo generador Van de Graaff que no se estaba utilizando. Hoyle estaba de vuelta en Cambridge cuando el laboratorio de Fowler descubrió una resonancia de carbono-12 cerca de 7,65 MeV unos meses más tarde, validando su predicción. Los físicos nucleares pusieron a Hoyle como primer autor de un artículo presentado por Whaling en la reunión de verano de la American Physical Society . Pronto se produjo una larga y fructífera colaboración entre Hoyle y Fowler, y Fowler incluso llegó a Cambridge. [17]
El producto final de la reacción se encuentra en un estado 0+ (spin 0 y paridad positiva). Dado que se predijo que el estado de Hoyle sería un estado 0+ o 2+, se esperaba que se vieran pares electrón-positrón o rayos gamma . Sin embargo, cuando se llevaron a cabo experimentos, no se observó el canal de reacción de emisión gamma , y esto significaba que el estado debe ser un estado 0+. Este estado suprime por completo la emisión gamma simple, ya que la emisión gamma simple debe llevarse al menos 1 unidad de momento angular . La producción de pares a partir de un estado 0+ excitado es posible porque sus espines combinados (0) pueden acoplarse a una reacción que tiene un cambio en el momento angular de 0. [18]
El carbono es un componente necesario de toda la vida conocida. El 12 C, un isótopo estable del carbono, se produce abundantemente en las estrellas debido a tres factores:
Algunos investigadores sostienen que es poco probable que la resonancia de Hoyle de 7,656 MeV sea producto de la mera casualidad. Fred Hoyle argumentó en 1982 que la resonancia de Hoyle era evidencia de un "superintelecto"; [14] Leonard Susskind en The Cosmic Landscape rechaza el argumento de diseño inteligente de Hoyle . [22] En cambio, algunos científicos creen que diferentes universos, porciones de un vasto " multiverso ", tienen diferentes constantes fundamentales: [23] según esta controvertida hipótesis del ajuste fino , la vida solo puede evolucionar en la minoría de universos donde las constantes fundamentales están ajustadas para apoyar la existencia de vida. Otros científicos rechazan la hipótesis del multiverso debido a la falta de evidencia independiente. [24]
