トリプルアルファプロセス

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]}

ヘリウムは、陽子-陽子連鎖反応と炭素-窒素-酸素循環の結果として恒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、ただしその時間内に3つ目のアルファ粒子がベリリウム8原子核と融合し^[3]、炭素12の励起共鳴状態^{[4]を生成する場合はこの限りではない。この}状態はホイル状態と呼ばれ、ほとんどの場合3つのアルファ粒子に崩壊するが、約2421.3回に1回エネルギーを放出し、炭素12の安定した基本形態に変化する。^[5]星の中心核で融合する水素がなくなると、星は収縮し始め、加熱する。中心温度が太陽の中心核の6倍の10 ⁸ K ^[6]まで上昇すると、アルファ粒子は十分に速く融合してベリリウム8の壁を突破し、安定した炭素12を大量に生成することができる。

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が生成されます。

¹²
₆Ｃ
+⁴
₂彼
→¹⁶
₈お
+
γ
(+7.162 MeV)

ヘリウムと水素の核融合反応によりリチウム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により、アルファ過程として知られる恒星内元素合成の連鎖でより重い元素が生成される可能性があるが、これらの反応は、トリプルアルファ過程を経るコアよりも高温高圧の場合にのみ顕著となる。これにより、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が、それらの元素のごく一部のみがネオンやより重い元素に変換されるという状況が生まれる。酸素と炭素は、ヘリウム4燃焼の主な「灰」である。

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。

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、2つのアルファ粒子とほぼ等しいエネルギーを持っている。第2段階では、⁸ Be + ^{4 Heは、 12} Cの励起状態 のエネルギーとほぼ等しい。この共鳴により、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が大幅に増加する。この共鳴の存在は、炭素が恒星で形成されるためにはそれが存在する必要があるという物理的な必要性に基づいて、実際の観測前にフレッド・ホイルによって予測されていた。このエネルギー共鳴と過程の予測と発見は、すべての化学元素がもともと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核合成仮説に非常に重要な裏付けを与えた。核共鳴が宇宙で大量の炭素と酸素を生成するように敏感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。 ^{[7] [8]}

温度と密度がさらに上昇すると、核融合プロセスではニッケル56（後に鉄に崩壊する）までの核種しか生成されず、より重い元素（ニッケルを超える元素）は主に中性子捕獲によって生成される。中性子の遅い捕獲（ s過程）によって、鉄を超える元素の約半分が生成される。残りの半分は、コア崩壊型超新星や中性子星の合体で発生すると考えられる急速な中性子捕獲（r過程）によって生成される。^[9]

トリプルアルファ段階は、恒星物質の温度と密度に大きく依存します。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乗で、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の場合、コアに蓄積されたヘリウムがそれ以上収縮するのを防げるのは、電子の縮退圧だけである。縮退したコア全体が同じ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、反応速度が上昇して正のフィードバックサイクルが発生し、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はおよそ 10 ¹¹ 太陽光度に達し、これは銀河全体の光度に匹敵するが^[11]、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使われるため、表面ではすぐには影響が観察されない。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、コア上部の球状層で水素を「燃焼」し始める。恒星は安定したヘリウム燃焼段階に入り、これは主系列で費やした時間の約 10% 続く (太陽はヘリウムフラッシュ後、約 10 億年間コアでヘリウムを燃焼すると予想されている)。^[12]

漸近巨星枝に沿って進化するより質量の大きい恒星では、ヘリウムが燃焼するにつれて炭素と酸素が核に蓄積し、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受性が異なるため、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、核は収縮して加熱され、水素殻（したがって恒星の半径）は外側に拡大する。核の収縮と殻の膨張は、核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恒星は周期的に変化する明るさを持つ。これらの恒星は、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]

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、普通の恒星が炭素やより重い元素を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・サルペ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、サルペ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、他の最近の研究では赤色巨星の中心核の温度は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触れられていたが、著者はそれを追及することはなかった。その代わりに、1953年に宇宙における炭素12の豊富さを炭素12共鳴の存在の証拠として使ったのは天体物理学者のフレッド・ホイルだった。ホイルが炭素と酸素の両方が豊富になる唯一の方法は、7.68 MeV付近の炭素12共鳴を伴うトリプルアルファ過程を通じてであり、これはサルペターの計算の矛盾も解消するだろう。^[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7.68 MeVの共鳴があるはずだと言った。（約7.5 MeVで励起状態になるという報告はあった。^[14]）フレッド・ホイルの大胆さは注目に値するもので、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、使われていない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7.65 MeV付近で炭素12の共鳴を発見し、彼の予測が検証されたとき、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作業がすぐに続き、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 および正パリティ）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見られることが予想された。しかし、実験が行われたとき、ガンマ放出反応チャネルは観察されなかったため、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 0 の角運動量変化を伴う反応に結合することができるため可能である。^[18]

炭素は、すべての既知の生命にとって必要な成分です。炭素の安定同位体である¹² C は、次の 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 レベルよりわずかに (0.3193 MeV) 高い位置にあります。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。ただし、⁸ Be と⁴ He は衝突の運動エネルギーを使用して励起状態の^{12 C に融合し (運動エネルギーは励起状態に達するために}必要な追加の 0.3193 MeV を供給します)、その後、安定した基底状態に移行できます。ある計算によれば、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約 7.3 MeV から 7.9 MeV の間である必要があり、自然界で観察される¹² C の豊富なレベルを生成するために、さらに 7.596 MeV から 7.716 MeV の間に「微調整」される必要がある。^{[20]ホイル状態は、 12} Cの基底状態より約 7.65 MeV 高いことが測定されている。^[21]
3. ¹² C + ⁴ He → ¹⁶ Oの反応では酸素が励起状態にあり、それが少しでも高ければ共鳴が生じて反応が加速する。その場合、自然界には炭素が不足し、ほとんどすべてが酸素に変換されることになる。^[19]

一部の学者は、特に 7.656 MeV 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 年に、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『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「}マルチバース」の一部である異なる宇宙には異なる基本定数があると考えている。^[23]この物議を醸している微調整仮説によれば、生命は、基本定数がたまたま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、独立した証拠がないことを理由に、マルチバース仮説を否定している。^[24]