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 muy 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 excitada del carbono-12 , [4] llamado estado Hoyle , que casi siempre decae nuevamente en tres partículas alfa, pero una vez cada 2421,3 veces libera energía y cambia a la forma base estable de carbono-12. [5] Cuando una estrella se queda sin hidrógeno para fusionarse en su núcleo, comienza a contraerse y calentarse. Si la temperatura central aumenta a 10 8 K, [6] seis veces más que el núcleo del Sol, las partículas alfa pueden fusionarse lo suficientemente rápido como para superar la barrera del berilio-8 y producir cantidades significativas de carbono-12 estable.
La liberación neta de energía del proceso es de 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 nuevamente 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 sólo son significativas a temperaturas y presiones más altas que en los núcleos que pasan por el proceso triple alfa. Esto crea una situación en la que la nucleosíntesis estelar produce grandes cantidades de carbono y oxígeno, pero sólo 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 tempranas del Big Bang . Una consecuencia de esto es que en el Big Bang no se produjo ninguna cantidad significativa de carbono.
Normalmente, la probabilidad del 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, 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 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 luego el descubrimiento de esta resonancia y proceso energético dieron un apoyo muy significativo a la hipótesis de la nucleosíntesis estelar de Hoyle , 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 dispuestas de manera 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 sólo hasta níquel-56 (que luego se descompone en hierro ); Los elementos más pesados (aquellos más allá del Ni) se crean principalmente mediante captura de neutrones. La lenta captura de neutrones, el proceso s , produce aproximadamente la mitad de los elementos además del hierro. La otra mitad se produce por captura rápida de neutrones, el proceso r , que probablemente ocurre en supernovas de colapso de núcleos y fusiones de estrellas de neutrones . [9]
Los pasos triple alfa dependen en gran medida de la temperatura y la densidad del material estelar. La potencia liberada por la reacción es aproximadamente proporcional a la temperatura elevada a la 40ª potencia y la densidad al cuadrado. [10] Por el contrario, la reacción en cadena protón-protón produce energía a una velocidad proporcional a la cuarta potencia de la temperatura, el ciclo CNO aproximadamente a la 17ª potencia de la temperatura, y ambos 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 en la rama de las gigantes rojas , sólo la presión de degeneración de los electrones evita que el helio que se acumula en el núcleo siga colapsando . Todo el núcleo degenerado está a la misma temperatura y presión, por lo que cuando su densidad aumenta lo suficiente, 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 eliminar la degeneración. Como consecuencia, la temperatura aumenta, provocando un aumento de la velocidad de reacción en un ciclo de retroalimentación positiva que se convierte en una reacción desbocada . 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 toda una galaxia , [11] aunque no se observarán efectos inmediatamente en la superficie, ya que toda la energía se utiliza para elevarse. el núcleo del estado degenerado al estado gaseoso normal. Como el núcleo ya no está degenerado, se establece nuevamente 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 constante de quema 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 unos mil millones de años después del destello de helio). [12]
En las estrellas de mayor masa, el carbono se acumula en el núcleo, desplazando el helio a una capa circundante donde se quema el helio. En esta capa de helio, las presiones son más bajas y la masa no está sustentada por la degeneración electrónica. Así, a diferencia del centro de la estrella, la capa puede expandirse en respuesta al aumento de la presión térmica en la capa de helio. La expansión enfría esta capa y ralentiza la reacción, lo que hace que la estrella se contraiga nuevamente. Este proceso continúa cíclicamente, y las estrellas que pasan por este proceso tendrán un radio y una producción de energía periódicamente variables. Estas estrellas también perderán material de sus capas exteriores a medida que se expanden y contraen. [ cita necesaria ]
El proceso triple alfa depende en gran medida de que el carbono-12 y el berilio-8 tengan resonancias con un poco más de energía que el helio-4 . Basándonos en resonancias conocidas, en 1952 parecía imposible que las estrellas ordinarias produjeran carbono además de cualquier elemento más pesado. [13] El físico nuclear William Alfred Fowler había observado 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. [14] [15] 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 les dio seguimiento. En cambio, fue 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 manera que Hoyle pudo encontrar que produjera una abundancia de carbono y oxígeno fue a través de un proceso triple alfa con una resonancia de carbono 12 cercana a 7,68 MeV, lo que también eliminaría la discrepancia en los cálculos de Salpeter. [13]
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 informes de un estado excitado de aproximadamente 7,5 MeV. [13] ) 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 buscaba un proyecto decidió buscar la resonancia. Fowler dio permiso a Whaling para utilizar un viejo generador Van de Graaff que no estaba en uso. Hoyle estaba de regreso en Cambridge cuando el laboratorio de Fowler descubrió una resonancia de carbono 12 cercana a 7,65 MeV unos meses después, 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 Sociedad Estadounidense de Física . Pronto siguió una larga y fructífera colaboración entre Hoyle y Fowler, y Fowler incluso vino a Cambridge. [dieciséis]
El producto de reacción final se encuentra en un estado 0+ (giro 0 y paridad positiva). Dado que se predijo que el estado de Hoyle sería 0+ o 2+, se esperaba que se vieran pares electrón-positrón o rayos gamma . Sin embargo, cuando se llevaron a cabo los experimentos, no se observó el canal de reacción de emisión gamma, lo que significaba que el estado debía ser 0+. Este estado suprime por completo la emisión gamma única, ya que la emisión gamma única debe llevarse al menos 1 unidad de momento angular . La producción de pares desde un estado excitado 0+ es posible porque sus espines combinados (0) pueden acoplarse a una reacción que tiene un cambio en el momento angular de 0. [17]
El carbono es un componente necesario de toda vida conocida. El 12 C, un isótopo estable del carbono, se produce abundantemente en las estrellas debido a tres factores:
Algunos estudiosos sostienen que es poco probable que la resonancia Hoyle de 7,656 MeV, en particular, sea producto de la mera casualidad. Fred Hoyle argumentó en 1982 que la resonancia de Hoyle era evidencia de un "superintelecto"; [13] Leonard Susskind en The Cosmic Landscape rechaza el argumento del diseño inteligente de Hoyle . [21] En cambio, algunos científicos creen que diferentes universos, porciones de un vasto " multiverso ", tienen diferentes constantes fundamentales: [22] según esta controvertida hipótesis de ajuste fino , la vida sólo puede evolucionar en la minoría de universos donde las constantes fundamentales resultan estar ajustados para sustentar la existencia de vida. Otros científicos rechazan la hipótesis del multiverso debido a la falta de evidencia independiente. [23]
